MAKALAH OPERASI TEKNIK KIMIA I SEDIMENTASI
Dosen Pengampu : Dr. T. Ir. Luluk Edahwati, MT
Disusun Oleh :
Akhmad Nauval Azizi (22031010072)
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK DAN SAINS
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL “VETERAN”
JAWA TIMUR SURABAYA
2023
ii KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala nikmatnya sehingga penyusun dapat menyusun makalah Operasi Teknik Kimia I “ Desain Alat Clarifier Tipe Circular” ini dengan sebaik-baiknya. Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk memenuhi tugas mata kuliah Operasi Teknik Kimia I dan untuk menambah wawasan mengenahi alat sedimentasi. Diharapkan makalah ini dapat meningkatkan minat baca masyarakat dan keingintahuan akan ilmu.
Penulis ucapkan terima kasih kepada ibu Dr. T. Ir. Luluk Edahwati, MT selaku dosen penganpu mata kuliah Operasi Teknik Kimia I dan seluruh pihak yang telah membantu, memberi masukan, dan mendukung penulisan makalah ini sehingga selesai tepat pada waktunya. Semoga dibalas oleh Allah SWT dengan ganjaran yang berlimpah.
Meski penulis telah menyusun makalah ini dengan maksimal, tidak menutup kemungkinan masih banyak kekurangan. Oleh karena itu sangat diharapkan kritik dan saran yang konstruktif dari pembaca sekalian. Akhir kata, saya berharap makalah ini dapat menambah referensi keilmuan masyarakat.
Surabaya, 13 Desember 2022
Penulis
iii DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR GAMBAR ... iv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
I.1. Latar Belakang ... 1
I.2. Tujuan ... 1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 2
II.1. Sedimentasi ... 2
II. Gaya-gaya Saat Berlangsungnya Sedimentasi ... 2
II.3. Proses Sedimentasi... 4
II.4. Clarifier ... 5
II.5. Jenis-jenis Clarifier ... 5
BAB III PERANCANGAN ALAT ... 9
III.1. Desain Alat Clarifier Rectangular Kapasitas 500 CUFT ... 9
II.2. Kesimpulan Data ...11
DAFTAR PUSTAKA ... 12
iv DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1 Gaya yang berpengaruh pada sedimentasi ... 2
Gambar II.2 Lamella Clarifier ... 6
Gambar II.3 Rectangular Clarifier ... 7
Gambar II.4 Circular Clarifier ... 8
1 BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Sedimentasi adalah proses penting dalam pengolahan air dan limbah untuk memisahkan partikel-padat dari cairan secara efisien. Sedimentasi sangat relevan dalam konteks lingkungan dan pengelolaan sumber daya air. Proses ini dimanfaatkan secara luas dalam industri pengolahan air minum, pengolahan air limbah, serta dalam berbagai aplikasi lainnya. Prinsip utama dari sedimentasi adalah memanfaatkan gaya gravitasi untuk memisahkan partikel yang lebih berat dari mediumnya. Ketika air atau cairan yang mengandung partikel masuk ke dalam suatu wadah atau tangki sedimentasi, kecepatan aliran direduksi secara signifikan sehingga partikel-partikel tersebut memiliki waktu yang cukup untuk mengendap ke dasar wadah sesuai dengan berat jenisnya.
Proses ini memungkinkan pemisahan partikel-partikel padat yang kemudian dapat dihilangkan dari air yang diolah.
Salah satu alat yang digunakan dalam proses sedimentasi adalah clarifier. Clarifier merupakan alat yang dirancang khusus untuk meningkatkan efisiensi proses sedimentasi. Biasanya berbentuk tangki besar dengan bentuk circular atau rectangular.
Clarifier circular memiliki bentuk silinder horizontal yang memungkinkan aliran air dalam pola yang melingkar di sekitar tangki. Di sisi lain, clarifier rectangular memiliki bentuk persegi panjang atau kotak dan lebih sering digunakan dalam aplikasi industri yang membutuhkan clarifier dengan kapasitas besar. Clarifier memfasilitasi proses pemisahan partikel dengan memperlambat aliran air secara keseluruhan, sehingga partikel-padatnya memiliki waktu lebih lama untuk mengendap. Dengan adanya clarifier, efisiensi dalam pemisahan partikel dari air dapat ditingkatkan secara signifikan, menghasilkan air yang lebih bersih dan lebih aman.
I.2. Tujuan
Adapun tujuan dari makalah ini adalah sebagai berikut :
1. Untuk mengetahui penfertian sedimentasi beserta prosesnya 2. Untuk merancang alat clarifier tipe circular
2 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1. Sedimentasi
Salah satu cara pemisahan antara padatan dengan cairan dari suatu slurry dapat dilakukan secara sedimentasi. Sedimentasi adalah suatu proses pengendapan padatan dalam cairan karena adanya gaya gravitasi. Ketika suatu partikel padatan berada pada jarak yang cukup jauh dari dinding atau partikel padatan lainnya kecepatan jatuhnya tidak dipengaruhi oleh gesekan dinding maupun dengan partikel lainnya, peristiwa ini disebut free settling. Ketika partikel padatan berada pada keadaan saling berdesakan maka partikel akan mengendap pada kecepatan rendah, peristiwa ini disebut hindered settling. Sedimentasi merupakan salah satu cara yang paling ekonomis untuk memisahkan padatan dari suspensi, bubur atau slurry. Rancangan peralatan sedimentasi selalu didasarkan pada percobaan sedimentasi pada skala yang lebih kecil. Sedimentasi merupakan peristiwa turunnya partikel padat yang semula tersebar merata dalam cairan karena adanya gaya berat, setelah terjadi pengendapan cairan jernih dapat dipisahkan dari zat padat yang menumpuk di dasar (endapan) (Geankoplis, 2003).
II. Gaya-gaya Saat Berlangsungnya Sedimentasi
Terdapat tiga buah gaya saat berlangsungnya proses sedimentasi, yaitu :
Gambar II.1 Gaya yang berpengaruh pada sedimentasi
3 1. Gaya apung
Gaya ini terjadi jika massa jenis partikel lebih kecil dari pada massa jenis fluida yang sehingga padatan berapa pada permukaan cairan.
𝐹𝑏 = 𝑚 𝜌 𝑔 𝜌𝑝 Dimana:
Fb = gaya apung, N m = massa, g 𝜌 = densitas fluida
𝜌𝑝= densitas partikel g = gravitasi
2. Gaya Drag
Gaya drag adalah gaya yang melawan gaya impelling sehingga partikel dalam kondisi setimbang. Arah gaya ini adalah ke atas dan dinyatakan dengan persamaan:
FD = CD AC ρ (vs2/2) Dimana:
FD = gaya drag, N CD = koefisien drag
AC = luas potongan melintang partikel, m2 vs = kecepatan pengendapan, m/detik 3. Gaya Impalling
Gaya impelling adalah resultan dari gaya yang disebabkan oleh gaya berat partikel atau gaya gravitasi (ke arah bawah) dan gaya apung (bouyant, ke arah atas). Arah gaya impelling adalah ke bawah dan dinyatakan dengan persamaan:
FI = Fg – Fb = (ρs – ρ) g V Dimana:
FI = gaya impelling, N
ρs = densitas massa partikel, kg/m3
4 ρ = densitas massa air, kg/m3
V = volume partikel, m3
g = percepatan gravitasi, m/detik2
(Brown, 1978).
II.3. Proses Sedimentasi
Tahapan sedimentasi dideskripsikan dengan observasi pada tes batch settling ketika partikel-partikel padatan mengendap dari suatu slurry dalam silinder kaca.
a. Discrete Settling
Pengendapan yang memerlukan konsentrasi padatan tersuspensi yang paling rendah sehingga analisisnya menjadi paling sederhana, bagitu pula untuk konstruksi yang digunakan. Pada discrete settling, partikel secara individu mengendap dengan bebas dan tidak mengganggu pengendapan partikel lainnya.
Contohnya aplikasinya adalah Grit chambers.
b. Flocculant Settling
Konsentrasi cukup tinggi terjadi pada penggumpalan (agglomeration).
Peningkatan rata – rata massa partikel ini menyebabkan partikel mengendap lebih cepat. Flocculant settling banyak digunakan pada primary clarifier
c. Hindered Settling
Konsentrasi partikel tidak terlalu tinggi. Partikel bercampur dengan partike lainnya kemudian karam bersama – sama. Hindered settling sebagian besar digunakan didalam secondary clarifier.
d. Compression Settling
Berada pada konsentrasi yang paling tinggi pada padatan tersuspensi dan terjadi pada jangkauan yang paling rendah dari clarifier. Pengendapan dengan cara memampatkan (compressing) massa partikel.
(Foust, 1980) Sedimentasi dapat berlangsung secara batch dan kontinu (thickener) :
a. Sedimentasi batch
Sedimentasi ini merupakan salah satu cara yang paling ekonomis untuk memisahkan padatan dari sutau suspensi, bubur atau slurry. Operasi ini banyak
5 digunakan pada proses-proses untuk mengurangi polusi dari limbah industri.
Suatu suspensi yang mempunyai ukuran partikelnya hampir seragam dimasukkan dalam tabung gelas yang berdiri tegak.
b. Sedimentasi kontinu
Pada industri operasi sedimentasi sering dijalankan dalam proses kontinu yang disebut thinckener. Thinckener kontinu memiliki diameter besar, tangki dangkal dalam dengan putaran hambatan untuk mengeluarkan sludge, slurry diumpankan ke tengah tangki, sekitar tepi puncak tangki adalah suatu clear liquid overflow.
Untuk garukan sludge ke arah pusat bottom untuk mengalirkan keluar. Gerakan menggaruk yang “stirs” hanya lapisan sludge. Bantuan pengadukan dalam pembersihan air dan sludge.
(Mc Cabe, 1993)
II.4. Clarifier
Clarifier tank merupakan tangki yang berfungsi untuk memisahkan flok yang terbentuk pada proses koagulasi dan flokulasi. Tangki klarifier ini dapat dirancang berbentuk segi empat, persegi panjang maupun silinder. Alat ini digunakan untuk menjernihkan air baku yang keruh dengan cara melakukan pengendapan, untuk mempercepat pengendapan lazimnya ditambahkan koagulan dan flokulan agar terjadi proses koagulasi dan flokulasi pada air. Pada unit Clarifier terjadi pengadukan lambat.
Jenis pengadukan lambat pada Clarifier adalah jenis pengadukan hidrolis memanfaatkan piringan berlubang. Fungsi dari piringan berlubang yaitu untuk memecah aliran dalam menciptakan efek pengadukan. Pada proses pengadukan lambat, energi hidrolik yang dibutuhkan cukup kecil agar menghasilkan gerakan air yang mendorong kontak antar partikel tanpa menyebabkan terpisahnya gabungan flok yang telah terbentuk.
Penggabungan inti gumpalan sangat tergantung pada gradien kecepatan (Anhar, 2021).
II.5. Jenis-jenis Clarifier
Ada beberapa macam tangki klarifier yang sering digunakan. Berdasarkan bentuk dan sistem kerjanya tangki klarifier dapat diklasifikasikan menjadi 3 yaitu :
6 1. Lamella Clarifier
Sebagai salah satu sistem pengolahan air limbah yang digunakan oleh industri, Lamella adalah teknik yang sangat efektif untuk mengolah limbah cair. Pengolahan air limbah dengan sistem Lamella ini menggunakan beberapa pelat yang dikenal dengan sebutan ‘Lamella Plate’ yang terbuat dari bahan logam atau PVC yang disusun sebagai clarifier atau penjernih.
Maka dari itu, sistem ini dikenal pula dengan sebutan ‘Lamella Clarifier’.
Fungsi utama dari Lamella Clarifier dalam pengolahan air limbah adalah sebagai alat untuk memisahkan partikel yang tercampur di dalam air. Selain itu, sistem ini juga digunakan untuk menjernihkan air baku dengan kualitas yang kurang baik, contohnya seperti low water dan raw water. Biasanya, sistem ini digunakan dalam pengolahan primer untuk menggantikan tangki pengendapan atau sedimentasi konvensional. Oleh karena itu, keberadaan sistem pengolahan air limbah ini sangat penting untuk meningkatkan efisiensi dalam mengolah air limbah.(Daya, 2020)
Gambar II.2 Lamella Clarifier 2. Rectangular Clarifier
Berfungsi untuk pengolahan air limbah dan juga dalam proses industri.
Metode pemisahan dengan tipe rangkaian pengisapan. Ukuran antara lain lebar 2 sampai 10 m (6 sampai 33 ft), dimana panjangnya 3 sampai 5 kali lebarnya. Clarifier tipe ini biasanya digunakan terutama dalam pemisahan minyak dan air serta dalam pemurnian gas buangan dari pabrik baja.. Hasil
7 yang dihasilkan jemih, tetapi bagaimanapun secara umum tidak sejernih dengan menggunakan circular clarifier.
Gambar II.3 Rectangular Clarifier 3. Circular Clarifier
Circular clarifiers adalah suatu alat unit pemisahan padatan dari air dengan cara sedimentasi yang berbentuk lingkaran. Penjernih melingkar atau Circular Clarifier adalah fasilitas bundar yang terdiri dari struktur saluran masuk, zona klarifikasi silinder, zona akumulasi lumpur berbentuk kerucut, dan bendung limbah.
8 Gambar II.4 Circular Clarifier
(Syahputra, 2009)
9 BAB III
PERANCANGAN ALAT
III.1. Desain Alat Clarifier Rectangular Kapasitas 500 CUFT 1. Menghitung waktu tinggal (td)
Diketahui untuk volume dari tangki pengendapan sebesar 500 ft3. Diasumsikan jika flow rate (Q) sebesar 100 ft3/hr, maka dapat dihitung untuk detention time atau waktu tinggal dari slurry menggunakan persamaan :
𝑡𝑑 = 𝑉 𝑄
𝑡𝑑 = 500 𝑓𝑡3 250 𝑓𝑡3/ℎ𝑟 𝑡𝑑 = 2,5 ℎ𝑟
Jadi, detention time atau waktu tinggal dari slurry dengan laju alir 100 ft3/hr adalah sebesar 2,5 jam
2. Menghitung Luas Area Surface (As)
Diasumsikan untuk overflow rate sebesar 5 ft3/ft2 hr, maka dapat dihitung untuk luas area permukaan dengan persamaan :
𝐴𝑠 = 𝑄
𝑂𝑣𝑒𝑟𝑓𝑙𝑜𝑤 𝑟𝑎𝑡𝑒
𝐴𝑠 = 250 𝑓𝑡3/ℎ𝑟 5 𝑓𝑡3/𝑓𝑡2ℎ𝑟 𝐴𝑠 = 50 𝑓𝑡2 Jadi, didapatkan Luas Area permukaan sebesar 50 ft2 3. Menghitung Diameter bak (D)
𝐷 = √4 𝑥 𝐴 𝜋
𝐷 = √4 𝑥 50 𝑓𝑡2 3,14
𝐷 = 7,9808 𝑓𝑡 Jadi, didapatkan diameter bak sebesar 7,9808 ft
10 4. Menghitung kedalaman bak (H)
𝐻 = 𝑄. 𝑡𝑑 𝐴
𝐻 = 250𝑓𝑡3
ℎ𝑟 . 2,5 ℎ𝑟 50 𝑓𝑡2 𝐻 = 12,5 𝑓𝑡
Jadi, didapatkan kedalaman dari bak sebesar 12,5 ft. Untuk menghitung kedalam total, kedalaman dari bak harus ditambah dengan tinggi freeboard atau jarak vertical dari permukaan air normal ke puncak dinding pembatas.
Jika diasumsikan tinggi freeboard adalah 0,5 m atau 1,6 ft, maka : 𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐻 + 𝑓𝑟𝑒𝑒𝑏𝑜𝑎𝑟𝑑
𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 12,5 𝑓𝑡 + 1,6 𝑓𝑡 𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 14,1 𝑓𝑡 Didapatkan H total sebesar 14,1 ft
5. Diameter inlet wall (D’)
𝐷′𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 𝑤𝑎𝑙𝑙 = 15 % . 𝐷 𝑏𝑎𝑘 = 15% . 7,9808 𝑓𝑡
= 1,1971 𝑓𝑡
𝐴 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 𝑤𝑎𝑙𝑙 =1
4. 𝜋 . 𝐷2
=1
4. 3,14 . (1,1971 𝑓𝑡)2 = 1,1249 𝑓𝑡2
6. Menghitung kecepatan pengendapan partakel (Vs) Diketahui :
H = 12,5 ft
td = 2,5 hr = 9000 s
Maka didapatkan settling velocity sebesar : 𝑉𝑠 = 𝐻
𝑡𝑑
𝑉𝑠 = 12,5 𝑓𝑡 9000 𝑠
𝑉𝑠 = 1,38 𝑥 10−3𝑓𝑡 𝑠
11 Jadi, didapatkan settling velocity sebesar 1,38 x 10-3 ft/s
7. Menghitung Kecepatan Horizontal di bak (Vh)
Jika diasumsikan Q awal total sebesar 0,812 ft3/hr, maka untuk kecepatan horizontal sebasar :
𝑉ℎ = 𝑄𝑖𝑛 𝜋. 𝐷. 𝐻
𝑉ℎ = 0,812𝑓𝑡3 ℎ𝑟
3,14 . 7,9808 𝑓𝑡 . 12,5 𝑓𝑡
𝑉ℎ = 2,592𝑓𝑡 ℎ𝑟
Jadi, didapatkan kecepatan horizontal sebesar 2,592 x 10-3 ft/hr
II.2. Kesimpulan Data
Berikut ini adalah tabel kesimpulan data dari desain alat Clarifier Rectangular kapasitas 500 CUFT, sebagai berikut :
Circular Clarifier
Volume (V) 500 ft3. Kedalaman bak (H) 12,5 ft
Laju Alir (Q) 100 ft3/hr Kedalaman Total 14,1 ft Waktu Tinggal (dt) 2,5 hr Diameter inlet wall (D’) 1,1971 ft Overflow Rate (OFR) 5 ft3/ft2 hr Luas inlet wall 1,1249 ft2 Luas Area Surface (As) 50 ft2 Kecepatan
Pengendapan (Vs)
1,38 x 10-3 ft/s
Diameter bak (D) 7,9808 ft Kecepatan horizontal (Vh)
2,592 x 10-3 ft/hr
12 DAFTAR PUSTAKA
Anhar, 2021,’ Proses Pengolahan Air Pada Tangki Klarifier ditinjau dari Laju Alir dan Konsentrasi Koagulan di PLTG Borang’, Jurnal Pendidikan dan Teknologi Indonesia, 1(8), pp. 315-320
Brown, G.G., 1978, Unit Operation, 3rd edition, Tokyo: McGraw Hill International.
Book Company.
Foust, A, S, 1980, Principles Of Unit Operation, 2ndEdition. New York : Allyn Bacon, Inc,
Geankoplis,J.C. 2003.Transport Processes and Unit Operating. Second Edition, New York: Allyn and Bacon, inc.
Mc Cabe and Smith, 1993, Unit Operation of Chemical Engineering, ed 5, Mc Graw Hill.
Syahputra, 2022, Perancangan Bangunan Pengolahan Air Minum, Semarang : Universitas Diponegoro
