BAB VIII PEMISAHAN PADAT - CAIR

Transkripsi

1 A VIII PEMISAHAN PAAT - CAIR A. ahasan 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 : SOLI-LIQUI SEPARATION Liquid constrained particles free Particles constrained, liquid free Flotation (dispersed air, dissaled air, elecrolitic) Grafity sedimentation (theckeners, clarifiers) Centrifugal sedimentation Cake filtration (acum, preeuru, centrifugal eep bad filtration (sand and cuke) Screening (dewatering, ibrating screens) Fixed wall (hidrociclones) Roting wall (sedimenting centrifugess Gambar: Klasifikasi operasi pemisahan padatan-cairan Particle size x < 5 Flocculation 5 < x < 50 μm x >50 Concentration Low High Low High Low High Equipment eep bed filter cartridge filters precoal filtration sedimenting centrifuges Cake filtration RV filters pressure filters plate and frame filters Settling tanks centrifuges Hydrocyclones Filtering centrifuges Gambar : Hal-hal yang menentukan dasar pemilihan alat pemisah padatan-cair. 101

2 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 (ensitas (ρ)) erdasarkan sifat rapat massa fluida dapat dikelompokkan menjadi dua : a. Fluida incompressible engan adanya penekanan rapat massa tidak berubah (sifat ini banyak dimiliki cairan) b. Fluida compressible engan adanya penekanan rapat massa tidak berubah (sifat banyak dimiliki oleh gas). Rapat massa (massa/olume) satuan g/cm, kg/l, dan seterusnya. Spesific graity = ρ/ ρ ref (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 40 0 C atau sesuai dengan data informasi yang ada.. Kekentalan (iskositas, μ) Viskositas fluida suatu tetapan yang menyatakan perubahan momentum terhadap waktu dibagi dengan satun luas dibagi dengan gradien kecepatan. Viscositas = μ = d( m) / A( d / dy) Satuan (sedimentasi) μ antara lain poice, g/(cm detik). Ada beberapa jenis iskositas yaitu : 10

3 a. Viscositas absolut (μ) b. Viscositas spesifik (μ/ μ ref ) c. Viscositas kinematik (μ/ρ). 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. 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). 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 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).. Hukum Newton d(mu) m m du u dm dengan : F = gaya yang bekerja pada fluida m = massa fluida 103

4 u = kecepatan max fluida yang dipengaruhi gerakan padatan u = f() jika tetap maka u tetap atau du / = 0, sehingga dm F = u dm = A ρ F = u. A ρ atau F = f A ρ r / = fungsi bilangan Reynold f(re) f r = kecepatan relatif padatan terhadap fluida 3. Kecepatan Relatif Padatan dalam pluida bergerak dengan kecepatan Kecepatan relatif (r) = Padatan bergerak dengan kecepatan fluida Kecepatan relatif (r) = Padatan bergerak dengan kecepatan 1 fluida bergerak dengan kecepatan lebih cepat dari 1 dan searah Kecepatan relatif (r) = 1 Padatan bergerak dengan kecep[atan 1 fluida bergerak dengan kecepatan berlawanan arah Kecepatan relatif (r) = 1 Nilai f dapat dibaca pada gambar 69 dan 70 (rown) dengan parameter faktor berbentuk (ψ) 104

5 luas perm. bola yang mempunyai olume sama denganolumebutir Ψ = luas permukaan partikel ag = ukuran ayakan rata-rata = (1 + ) / s = diameter sama yang mempunyai olume sama dengan olume padatan Untuk gerakan laminer (Re < 1) grafik Re s F satu garis lurus dan tidak berpotongan ila nilai semakin besar F juga semakin besar, sampai suatu d saat besarnya F=0 atau = 0 atau tetap. Keadaan ini disebut Keadaan Terminal (V maksimum) maksimum = m = m g (ρ ρ ) f s ρ ρs A Untuk butir berbentuk bola dan gerakan laminer C = 4. A = π/4 m = π/6 3 ρs 4 4 μ f = Re ρ m Persamaan m dapat dituliskan menjadi m = g (ρ s 18μ ρ ) hukum stoke s 4. Gerak Jatuh utiran Padat alam Fluida iam F K A F = G K A - F engan : G = gaya berat K A F = gaya keatas = gaya gesek G 105

6 d m m g d g(1 m ρs ρ ) ρs ρ g f f ρ A r m ρ A r engan ρs densitas padatan dan ρι densitas fluida Persamaan ini berlaku untuk : a. Padatan tidak berpori b. Fluida incompressible c. g uniform d. Padatan freely moing (tidak ada faktor lain di sekitarnya) 5. Pengaruh -Pengaruh Yang Mengganggu Persamaan Gerak (ila 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 igunakan Partikel dianggap bergerak dalam fluida yang bercampur dengan padatan. Untuk hal ini sifat fluida sifat slurry (ρ b, μ b ). Untuk keadaan ini hukum Stoke s dapat dituliskan sebagai : m = g (ρρ ρb) 18 μb Nilai μb didekati dengan menggunakan rumus berikut atau dapat dibaca dari grafik 71 (rown). 1,8(1 x) μb 10 x = fraksi olum cairan μ x 106

7 Ρb = berat campuran total per olum total Untuk utiran erbentuk ola Ada Cara Pendekatan Yang Lain V H = g (ρρ ρ) Fs 18μ Fs = H m Nilai Fs merupakan fungsi x dapat dilihat dalam grafik berikut : b. Flokulasi Ialah suatu peristiwa butir-butir padatan saling bergandengan. Keadaan ini menyebabkan maksimalnya 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: 107

8 Fs = H m = 0,1(1 a) 1 x a ( x ) 1 a engan :a = olume immobile fluid per olum partikel d. Pengaruh inding Pengaruh dinding container tidak dapat diabaikan pengaruhnya bila nilai c/ tidak besar (kira-kira < 0) Faktor koreksi Fs = (1- /c),5 laminer Fs = (1-(/c) 1,5 ) turbulen 3 6. Persamaan Umum Gerak Partikel ila ada gerakan kearah ertikal dan horizontal Horizontal F H d m d h h = F H ρ A r f h r ρ A r h f (A) m Vertikal F d m = G K A - F V mg m ρ g ρs f ρ A r r d ρ ρ A r g(1 )ρg f () ρs m engan r = h (C) f = f (Re) () Re = ρ r /μ (E) Persamaan A,, C,, dan E merupakan persamaan simultan. 108

9 Kalau Aliran Laminer f C Cμ = = Re ρ r (F) d d ρ A r h C μ C μ A h (G) m ρ r m ρ C μ A h g(1 ) (H) ρs m 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, jika suatu keadaan untuk ρ A > ρ tetapi >> A tidak dapat terjadi pemisahan dengan sempurna. Oleh sebab itu perlu adanya batasan harga kisaran ukuran padatan agar menghasilkan pemisahan yang sempurna. Supaya Pemisahan Padatan erlangsung engan Sempurna maka perbandingan ukuran padatan A dan. m A m 4A g(ρa ρ) = 3 f ρ 4 g (ρ = f 3 ρ) ρ 109

10 Untuk partikel padatan A dan yang mempunyai kecepatan maksimum sama (m A = m ), maka batasan perbandingan ukuran partikel dapat ditentukan dengan persamaan berikut : A f f A ( ) ( ) A Jika sifat gerakan turbulen sempurna maka f A =f A maka A ( ) ( ) A Jika sifat gerakan laminer A f f ( ) ( ) A 0, 5 A Turbulen A f A Maka f Laminer Pemisahan dapat terjadi dengan baik bila Separation Ratio (perbandingan ukuran partikel yang kecil terhadap ukuran partikel yang terbesar)menurut persamaan berikut: A n Turbulen n = 1 ( ) ( ) A Laminer n = 0,5 Transisi 0,5 < n < 1 Jika ρ harganya mendekati ρ atau sama dengan ρ maka A (ρ ρ) = 0 0 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. Mendispersikan padatan yang relatif halus kedalam cairan 110

11 Gambar alat klasifikasi dan cara kerjanya dapat dibaca sendiri di text book.. SEIMENTASI Sedimentasi pemisahan slurry menjadi cairan bening cairan bening dan slurry yang lebih pekat (slude) A : Cairan bening : Zone dengan Konsentrasi Co C : Zone dengan konsentrasi C 1 > Co : cake atau endapan Sedimentasi dalam industri dilakukan secara kontinyu (sinambung), sedimentasi dalam laboratorium dilakukan secara batch. ata-data(persamaan-persamaan)pada proses kontinyu diperoleh dari data poses batch 1. atch Sedimentasi Kecepatan turunnya bidang batas A- disebut kecepatan sedimentasi. Pada periode awal merupakan maximum elocity atau dikenal dengan free settling. ata percobaan laboratorium --- tinggi bidang batas fungsi waktu 111

12 dz Kecepatan turunnya bidang batas = - slope = = terminal d elocy partikel- partikel yang berada pada bidang batas. V = f(ρ s, ρ, μ,, 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 atch Kalau ditinjau titik dengan konsentrasi tetap (C), posisi titik tersebut semakinlama semakin tinggi seolah-olah naik dengan kecepatanv L Neraca massa padatan pada zone dengan konsentrasi C C+dC input = output A (V + d + V L ) C = A ( V + V L )( C + dc) ( V + V L ) C + C d = ( V + V L ) C + (V + V L ) dc d V L = C V dc 11

13 V = f (C) d dc = f (C). Karena C tetap, maka V L C f '( C) f ( C) Maka - V L = tetap V = f(c) dapat ditentukan V slope kure Z s ө Penentuan nilai C L Nilai C L dicari dengan cara sebagai berikut : Misal zone dengan konsentrasi C L bergerak keatas dengan kecepatan tetap V L. Mula-mula zone tersebut berada didasar tabung. Jadi - L V = Z L L Pada saat ө = 0 (awal). Semua partikel berada diatas zone dengan konsentrasi C L (zone ini berada didasar tabung). Tapi pada saat ө = ө L, semua partikel berada di bawah zone tersebut. Jadi dalam waktu ө L semua partikel melewati zone tersebut. Jumlah paritikel yang menembus zone pada waktu ө L = Jumlah total partikel dalam endapan. A (V + - V L ) C L θ L C L = = A Zo Co Zo Co V L Z L L erdasarkan data batch θ L dan Z L dengan korelasi ini V L dan C L dapat ditentukan. 113

14 ari 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 = Volume rongga Volume total Contoh penentuan pororitas g iket : ρs = 3 cm g Ρ = 1 3 cm Fraksi massa padatan = x = 0% Volume slurru mula-mula = A. 7 cm 3 asis 100 g slurry padatan = 0, x 100 g = 0 gram Volume padatan 0 = 10 cm 3 cairan = 100 (1-X) = Konsentrasi padatan = 80 g = 80 cm 3 1 g 3 cm 0gram (10 80) cm 3 Total padatan dalam slurry = 9 7 A = 6 A gram 6 A = cm 3 = 3 A cm 3 Setelah mengendap Volume kueh = 5. A cm 3 9 g/cm 3 114

15 Volume rongga A Porositas = 5A = 5A 3A = A = 0,4. Continue Sedimentasi Perancangan Sedimentasi Kontinyu didasarkan atas Flux padatan yang diperkenankan. Kolom untuk sedimentasi kontinyu disebut Thickener F C F CV = 0 V, L, F Volume campuran = Waktu C F, C V, C U Massa padatan = Volume campuran Karena tidak ada kontraksi olume maka Neraca massa = Neraca olume F = V + L C u L FC F = V C V + L C u karena C V = 0 F C F = LC U asar Perancangan Luas thickener a. Tidak boleh ada partikel yang bergerak ke atas, oleh sebab itu luas tampang harus cukup besar. 115

16 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 = V f Oleh sebab itu dasar perancangan ( V = Vm ) A min ) Luas tampang thickener harus cukup untuk melewatkan padatan kebawah. Padatan yang diletakan kebawah = F L F L = Padatan yang dibawa aliran kebawah + padatan kebawah karena settling F L = L C + A V C -- FL = f (C) iinginkan F L > FC F atau f. Cp < F L oleh sebab itu harus dicek setiap ketinggian A min F L = FC F ila ada beberapa nilai A min, 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 = Volume (Vo/Waktu) massa (massa/ waktu) 116

17 waktu tinggal rata-rata dalam campuran zone = θu Z o CF F U H A Cu F C Z u A u H F u CU Z o F C F AC u 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 slope yang tetap dapat ditentukan uat 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 117

18 ata pada batch sedimentasi Gambar Thickener 118