BAGIAN III

BAGIAN III. PEMISAHAN CAMPURAN HETEROGEN (SEDIMENTASI)

Sebelum membicarakan secara rinci operasi sedimentasi, terlebih dahulu dibahas alat-alat pemisah padat-cair yang sering dijumpai di industri kimia.

Campuran padat-cair sering disebut dengan suspensi (suspension) atau slurry.

Ada beberapa tujuan yang diharapkan dari pemisahan suspensi yaitu:

1. Mengambil padatan dari cairannya

2. Mengambil cairan dari padatannya

3. Mengambil keduanya

4. Keduanya tidak dimanfaatkan, tetapi dilakukan untuk tujuan pencegahan terhadap pencemaran lingkungan.

Secara skematis pemisahan campuran padat-cair, yang sering disebut dengan suspension atau slurry, dapat digambarkan sebagai berikut.

Suspension Liquid + some solids

Solids+some liquid

Gambar 1. Skema alat pemisah padat-cair

Klasifikasi prinsip pemisahan padat-cair dapat digambarkan secara skematis pada Gambar 2:

Pemisahan padat-cair

Cairan yang ditahan Padatan yang ditahan

Padatan bebas bergerak Cairan bebas bergerak

(liquid constrained-particles free) (particles constrained-liquid free)

Flotasi Sedimentasi Sentrifigasi Cake filtration Deep bed Screening

-dispersed air - Thickener -Fixed wall -vacuum filtration -dewatering

-dissolved air -clarifier (hidrocyclones) -pressure -sand -vibrating screen

-electrolytic -Rotating wall -centrifugal -cakeGambar 2. Klasifikasi proses pemisahan padat-cair (Svarovsky,1981)

Ukuran butir padatan dan konsentrasi padatan dalam slurry dapat digunakan sebagai dasar pemilihan alat pemisah yang sebaiknya digunakan. Alat pemisah padat-cair yang sebaiknya digunakan, dipilih berdasarkan ukuran partikel dan konsentrasi padatan digambarkan secara skematis pada Gambar 3.

Ukuran butir d < 5 flokulasi 5< d < 50 d > 50

Konsentrasi rendah tinggi tinggi rendah rendah tinggi

Alat thickener thickener

Deep bed filter Cake filtration Settling tanks filtering

Cartridge filters R V filters Centrifuges Centrifuges

Precoal filtration Pressure filters Hydrocyclones

Sedimenting centrifuges Plate and frame filters Screens

Gambar 3. Dasar pemilihan alat pemisah padat cair (Svarovsky, 1981)

SEDIMENTASI

adalah salah satu operasi pemisahan campuran padatan dan cairan (slurry) menjadi cairan bening dan sludge (slurry yang lebih pekat konsentrasinya) pemisahan dapat berlangsung karena gaya grafitasi yang terjadi pada butiran tersebut.

Operasi sedimentasi termasuk pada kelompok pemisahan liquid constrained-particles free, karena walaupun fluidanya bergerak kecepatan gerak butiran relatif lebih cepat dibandingkan kecepatan gerak fluidanya.

Operasi sedimentasi dapat digunakan pada pemisahan butir padatan dengan berbagai ukuran, tetapi dapat bekerja optimum pada konsentrasi padatan yang relatif rendah. Karena pada konsentrasi padatan yang tinggi kecepatan sedimentasi menjadi lambat. Pada keadaan ini waktu sedimentasi yang dibutuhkan menjadi sangat lama, sehingga sebaiknya dipilih alat pemisah yang lain, misalnya filtrasi.

Fenomena gerakan butir padatan dalam cairan dapat juga diterapkan pada jenis alat pemisah yang lain misalnya elutriasi dan flotasi, oleh sebab itu pada topik bahasan ini juga dibicarakan alat-alat pemisah tersebut.

Banyak sekali tipe alat pemisah yang didasarkan atas operasi sedimentasi, pada pembicaraan ini sedimentasi dikelompokan menjadi tiga fenomena tipe sedimentasi, seperti yang dituliskan dalam Tabel I.

Tabel I. Fenomena tipe sedimentasi (Svarovsky, 1981)

Fenomena tipe pengendapanDiskripsiPenggunaan

Tipe I. Discrete particle

Tipe II.Hindered settling atau compression settling

Tipe III. Flokulasi

Konsentrasi padatan rendah, sehingga butir padatan dapat dipandang sebagai satu butir yang mengendap, karena interaksi dengan butir lainnya dapat diabaikan pengaruhnya atau pengaruhnya masih dapat ditampung dalam faktor koreksi.

Konsentrasi padatan relatif tinggi, sehingga pengaruh antar butir tidak dapat diabaikan pengaruh-nya, pada kondisi ini kecepatan sedimentasi sangat dipengaruhi konsentrasi padatan

Selama pengendapan terjadi penggabungan butir padatan , karena ukuran butir bertambah besar maka kecepatan pengendapan juga bertambah besar.Elutriasi, gravity settling tank, klasifikasi, sizing

Thickener

Flokulasi, koagulasi

PENGENDAPAN TIPE I: DISCRETE PARTICLES

(Konsep ini antara lain diterapkan pada alat elutriasi, gravity settling tank, klasifikasi, dan sizing)

Tipe pengendapan ini terjadi bila konsentrasi padatan rendah, sehingga butir padatan dapat dipandang sebagai satu butir yang mengendap, karena interaksi dengan butir lainnya dapat diabaikan pengaruhnya atau dapat dinyatakan dalam faktor koreksi. Perancangan alat sedimentasi tipe discrete particle didasarkan atas neraca gaya pada butir padatan. Oleh sebab itu pada bagian ini gerak butir padatan dalam fluida dibicarakan dengan cukup rinci

Gerak jatuh butir padatan dalam fluida diam

Anggapan yang diambil untuk menggambarkan gerak butir padatan dalam fluida diam adalah sebagai berikut:

1. Padatan tidak berpori

2. Fluida incompressible

3. Gravitasi bumi seragam

4. Pengaruh butiran lain diabaikan

Ka F = G Ka Fd (1)

Fd dengan G = gaya berat

Ka = gaya keatas

Fd = gaya gesek

F = gaya neto yang diterima butir padatan

Fluida F

diam

G

Persamaan (1) bila dijabarkan dapat dituliskan sebagai berikut:

m = m g -

EMBED Equation.3 g - Fd (2)

Gaya Gesek

Selama butir padatan bergerak dalam cairan akan terjadi gaya gesek antara padatan dan cairan. Butir padatan bergerak dengan kecepatan v dalam fluida yang diam atau fluida yang bergerak dengan kecepatan vf (tetapi vf lebih kecil dari v), karena ada beda kecepatan antara butir padatan dan fluida maka akan terjadi transpor momentum dari butir padatan ke fluida. Sedangkan yang dimaksud dengan gaya gesek yaitu perubahan momentum tiap satuan waktu;

Gaya gesek = Fd = perubahan momentum terhadap waktu = (3)

Fd = = m + u (4)

Dengan

Fd = gaya gesk yang terjadi pada fluida

m = massa fluida

u = kecepatan maksimum fluida yang dipengaruhi oleh gerakan padatan u=f(v).

Jika v tetap maka u juga tetap atau du/dt = 0, sehingga Fd dapat dituliskan menjadi

Fd = u (5)

= A v (6)

Substitusi antara pesamaan (5) dan (6) dapat disusun menjadi persamaan berikut:

Fd = u A v (7)

Persamaan (7) dapat dituliskan sebagai

Fd = fd A

EMBED Equation.3 (8)

vr = kecepatan relatif padatan terhadap fluida

fd = faktor gesek

Kecepatan relatif

Padatan diam

Fluida bergerak dengan kecepatan UKecepatan relatif pada keadaan ini yaitu Vr = U (9)

Padatan bergerak dengan kecepatan V

Fluida diam Kecepatan relatif pada keadaan ini yaitu Vr = V (10)

Padatan bergerak dengan kecepatan V

V

U

Fluida bergerak dengan kecepatan U

Kecepatan relatif pada keadaan ini yaitu Vr = V U (11)

Fluida bergerak dengan kecepatan U dengan arah berlawanan

U

V

Padatan bergerak dengan kecepatan V,

Kecepatan relatif pada keadaan ini yaitu Vr = V + U (12)

Faktor gesek (fd )

Untuk ukuran butir, bentuk butir, kekasaran butir, dan sifat fluida ( dan ), kecepatan padatan yang berbeda akan menyebabkan gaya gesek yang berbeda. Pengaruh peubah-peubah ini terhadap gaya gesek dinyatakan dengan faktor gesek. Hubungan antara nilai faktor gesek dengan peubah-peubah tersebut diperoleh secara empiris dan disajikan dalam bentuk grafik, yang dinyatakan pada Gambar 4 dan Gambar 5.

Gambar 4 berlaku untuk butiran yang bentuknya tidak teratur dan mempunyai ukuran yang acak. Pada keadaan ini ukuran butir dinyatakan dengan Dave diameter rerata antara butir yang lolos dan tertahan ukuran ayakan tertentu. Absis Gambar 4 adalah bilangan Reynolds (Re = ), ordinat nilai , dan parameternya jenis padatan.

Gambar 5 disusun berdasarkan padatan dengan bentuk tertentu dan ukuran tertentu. Untuk padatan yang tidak berbentuk bola diameternya dinyatakan dengan diameter ekuivalen (De).

Absis Gambar 5 berupa bilangan Reynolds (Re = ), ordinat nilai , dan parameternya berupa faktor bentuk ().

Diameter equivalen ( De)

Diameter ekuivalen adalah diameter bola yang mempunyai volum sama dengan volum butir padatan.

Faktor bentuk (spherecity)

Faktor bentuk adalah luas permukaan bola yang mempunyai volum sama dengan volum butir padatan dibagi luas permukaan padatan

Gambar 4. Hubungan antara faktor gesek vs bilangan Reynolds dan jenis padatan

(Brown, 1955)

Gambar 5. Hubungan antara faktor gesek vs bilangan Reynolds dan bentuk

padatan (Brown, 1955)

Contoh 1

Butir padatan berbentuk silinder diameter D dan tinggi L, dengan L= 2D. Diameter equivalen (De) dan faktor bentuk (, untuk padatan ini dapat ditentukan sebagai berikut:

L= (C1.1)

2D= (C1.2)

De= D (C1.3)

(C1.4)

Kondisi aliran laminer

Pada kondisi aliran laminer bilangan Reynolds kurang dari satu (Re 1 sehingga kondisi turbulen,

vr maksimun = =

(C2.1)

Re = Re = = = 0,2 vr

(C2.2)

fd = f (Re,) yang disajikan pada Gambar 5, pada keadaan ini = 1 (C2.3)

Persamaan (C2.1), (C2.2), dan (C2.3) merupakan persamaan simultan sehingga penyelesaiannya secara coba-coba.

fD

Vm Re

fD

C2.1

C2.3

C2.2 cocokan bila belum cocok ulang

fD coba-cobaVmRefD hasil hitungan

143,28,644,3

4.320,84,168

1013,62,7212,5

258,641,7319

1710,452,0917 cocok

Jadi kecepatan terminal butir padatan di atas adalah 10,45 cm/detik

b. Keadaan transient (proses untuk mencapai kecepatan maksimum)

Butir berbentuk bola

= g (1 - ) - fd vr2

EMBED Equation.3 = g (1 - ) - fd

EMBED Equation.3

= g (1 - ) - fd = Fv

Waktu untuk mencapai V=8 cm ditentukan dengan persamaan integrasi berikut

diselesaikan dengan integrasi numerisJarak yang telah ditempuh diselesaikan dengan persamaan

Jarak = s = v dt = diselesaikan secara integrasi numerisVRefD1/FvV 1/Fv

00~00

10,21201,2 10-31,2 10-3

20,4701,34 10-32,68 10-3

30,6481,5 10-34,5 10-3

40,8401,74 10-36,8 10-3

51.0301,9 10-39,5 10-3

61,2252,2 10-313,2 10-3

71.4222,7 10-318,9 10-3

81,6183 10-324 10-3

v

v

Nilai t dan s adalah luasan di bawah kurva versus v dan v versus v

Waktu = t =

t =1( = 0,014 detik

Jarak = s =

t =1( = 0,068 cm.

Kesimpulan yang dapat diambil dari contoh kasus ini adalah, waktu dan jarak tempuh butiran pada kedaan transient (yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan kecepatan terminal) adalah sangat kecil, sehingga dapat diabaikan pengaruhnya. Oleh sebab itu pada perancangan alat yang menggunakan dasar gerakan butir padatan dalam fluida, dasar perhitungan yang digunakan adalah kecepatan terminalnya.

BILA FLUIDA BERGERAK KEATAS DENGAN KECEPATAN Uf TIGA KEMUNGKINAN YANG TERJADI YAITU

1. Bila kecepatan terminal butir padatan pada fluida tersebut (Vm) lebih besar dari kecepatan aliran fluida ke atas (Uf), pada keadaan ini partikel bergerak ke bawah dengan kecepatan Vm - Uf2. Bila kecepatan terminal butir padatan pada fluida tersebut (Vm) sama dengan kecepatan aliran fluida ke atas (Uf), pada keadaan ini partikel akan stasioner Vm = Uf3. Bila kecepatan terminal butir padatan pada fluida tersebut (Vm) lebih kecil dari kecepatan aliran fluida ke atas (Uf), pada keadaan ini partikel bergerak ke atas dengan kecepatan Uf VmMEKANIKA GERAK PARTIKEL PADA KONDISI INI DIMANFAATKAN UNTUK PEMISAHAN PADATAN SECARA ELUTRIASI, KLASIFIKASI, SIZING, DAN SORTING.

Elutriasi = adalah pemisahan padatan menjadi dua fraksi atau lebih yang berdasarkan perbedaan kecepatan terminalnya dalam fluida yang bergerak ke atas.

Klasifikasi = adalah pemisahan padatan menjadi dua fraksi atau lebih yang berdasarkan perbedaan kecepatan terminalnya dalam fluida.

Sizing = adalah pemisahan padatan yang sama densitasnya, tetapi berbeda ukurannya dengan menggunakan kecepatan aliran fluida.

Sorting = adalah pemisahan padatan yang sama bentuk dan ukurannya tetapi berbeda densitasnya, dengan menggunakan kecepatan aliran fluida.

Pada pemisahan ini yang memegang peran penting adalah perbedaan densitas padatan () dan ukuran padatan (D). Bila dijumpai campuran padatan A dan B dengan tetapi jika DB > DA ada kemungkinan campuaran padatan tersebut tidak dapat terjadi pemisahan dengan sempurna. Oleh sebab itu perlu ditentukan batas kisaran ukuran campuran padatan yang dapat memberikan pemisahan yang sempurna.

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 Pemisahan tidak dapat berlangsung dengan sempurna bila

EMBED Equation.3

=

atau dapat dituliskan sebagai

Pada kedaan laminer maka

Pada keadaan turbulent maka

Jadi dapat disimpulkan bahwa pemisahan campuran butir padatan A dan B dapat berlangsung dengan baik bila Separation Ratio (perbandingan ukuran partikel yang terkecil terhadap ukuran partikel B yang terbesar) menurut persamaan

Nilai n= 0,5 untuk keadaan laminer, nilai 0.5< n