Download - Modul Filtrasi ITB

Transcript
Page 1: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

-1/24-

MODUL 1.04 Filtrasi

I. Pendahuluan

Proses filtrasi bertujuan memisahkan padatan dari campuran fasa cair dengan

driving force perbedaan tekanan sehingga mendorong fasa cair melewati lapisan suport

pada medium filter. Pada proses filtrasi, pemisahan padatan akan tertahan pada medium

penyaring. Sedangkan fasa cair yang melewati medium filter berupa limbah/ hasil

sampingnya. Prosedur filtrasi sederhana dapat diterapkan langsung pada benda padat

yang bentuknya tetap. Sebaliknya, diperlukan perlakuan-perlakuan khusus sebelum dan

sesudah proses filtrasi jika padatan yang akan dipisahkan berupa cairan yang mudah

terdeformasi atau berukuran kecil dan relatif sulit diambil dari suspensi cair. Filtrasi

sering diterapkan pada proses-proses biologis seperti memisahkan ekstrak juice atau

memisahkan mikroorganisme dari medium fermentasinya. Pada proses-proses pemisahan

yang sulit, proses filtrasi konvesional harus didukung dengan teknologi lain agar filtrasi

lebih praktis, cepat, dan kualitas produk tidak terdegradasi.

Pada umumnya, penerapan teknologi filtrasi pada industri kimia telah banyak

mengalami modifikasi. Modifikasi ini terutama dilakukan untuk memperbaiki sifat dan

karakteristik fisika dan kimiawi cake yang terakumulasi pada medium filter. Padatan cake

umumnya dipisahkan dari medium filter dengan penambahan aditif tertentu. Padatan cake

akan membentuk ageregat yang semakin lama semakin besar sehingga mudah dilepas

dari medium filternya. Padatan lain yang biasa ditambahkan adalah filter aid. Tanpa filter

aid akumulasi cake pada medium filter akan sangat sedikit karena terbawa aliran cross

flow yang besar.

Dengan melaksanakan praktikum ini, praktikan akan memahami bagaimana

proses filtrasi konvensional dilaksanakan. Pada teknologi filtrasi konvensional,

pembentukan cake sangat signifikan, sehingga aliran cross flow diabaikan. Proses filtrasi

ini umumnya melibatkan padatan tak terdeformasi yang berukuran relatif besar.

Pada praktikum ini digunakan press filter berupa plate and frame filter press.

Filter terdiri atas plate and frame yang tersusun secara selang-seling. Plate terpisah dari

frame dengan suatu filter cloth. Pressing dilakukan untuk mendapatkan posisi plate dan

Page 2: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 2 dari 24

frame yang sesuai dan dikerjakan dengan putaran manual dan putaran hidrolik. Slurry

dimasukkan melalui lubang-lubang frame dan filtrat mengalir melalui cloth ditiap sisi

sehingga 2 produk (sluury dan cake) terbentuk secara simultan di tiap ruang penyaringan.

II. Tujuan

Tujuan pelasanaan praktikum Modul Filtrasi adalah:

1. Praktikan mengetahui karakteristik filtrasi (penyaringan), khususnya hubungan waktu

dengan perolehan filtrat

2. Praktikan memahami tahanan/hambatan baik pada medium filter maupun cake pada

operasi penyaringan

III. Sasaran

Berkenaan dengan tujuan praktikum, praktikan diharapkan dapat:

1. Menentukan persamaan penyaringan pada tekanan tetap.

2. Menghitung tahanan medium penyaring dan tahanan spesifik padatan saring.

3. Menentukan pengaruh tekanan terhadap tahanan spesifik padatan dan kekeringan

padatan.

IV. Tinjauan Pustaka

IV.1 Peralatan Proses Filtrasi Konvensional

Peralatan untuk proses filtrasi konvensional sangat bervariasi, dari conventional

plate and frame filter press sampai jenis rotary vacuum filters. Tipe plate and frame filter

press yang paling umum disajikan pada Gambar 1a. Plate and frame filter press jenis ini

yang diaplikasikan di Industri umumnya terdiri atas tujuh bagian medium filter dari

logam yang saling menutupi secara renggang dan tempat yang cukup untuk menampung

cake sampai filtrasi selesai. Tipe lain memiliki pelat yang saling sejajar sehingga dapat

digunakan dengan medium filter berupa penyaring kertas atau kain secara terpisah dari

alat utama. Medium filter dapat dimasukkan pada peralatan filtrasi dengan membuka

frame yaitu tempat cake terbentuk. Tipe peralatan filtrasi jenis ini digunakan jika cake

Page 3: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 3 dari 24

yang akan terbentuk relatif kering. Alat ini tidak dapat digunakan untuk bahan-bahan

yang beracun dan berbahaya.

Gambar 1 Bermacam-macam tipe peralatan filtrasi konvensional

Tiga tipe lain dapat dilihat pada Gambar 1b, 1c, dan 1d. Jenis ini dapat digunakan

untuk mengolah bahan aerosol ataupun yang berbahaya dan beracun. Peralatan-peralatan

ini masih dalam pengembangan yang serius, sehingga umumnya digunakan pada skala

kecil terutama pada laboratorium.

Jenis horizontal plate filter disajikan pada Gambar 1b digunakan pada operasi

pemisahan skala kecil. Filtrasi terjadi hanya pada bagian atas setiap pelat yaitu di bagian

bawah cake, walaupun diterapkan operasi yang terputus-putus, cake yang terbentuk akan

terus terakumulasi pada filter. Pada disain seperti Gambar 1b, struktur badan filter dapat

dibongkar pasang untuk dibersihkan. Filter medium pun ditambahkan di luar perangkat

alat filtrasi yang terlah terinstalasi sempurna. Variasi lain jenis ini adalah menerapkan

pengambilan cake dengan lubang kecil seperti valve yang difungsikan sebagai pengendali

ketebalan cake pada medium filter; atau variasi lain berupa cake yang dapat diambil

dengan memutar-mutar bagian samping badan alat filtrasi.

Vertical leaf filter press disajikan pada Gambar 1c. Jenis ini hanya membutuhkan

area yang sempit untuk menempatkannya, tetapi ruang harus cukup tinggi untuk

Page 4: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 4 dari 24

membongkar badan alat filtrasi yang tinggi tersebut saat mengambil cake. Jenis ini

memiliki area filtrasi yang cukup luas per volumenya.

Tipe alat filtrasi tubes on the candle dapat dilihat pada Gambar 1d. Alat ini

tergantung pada tabung-tabung yang fungsinya mirip tali penarik. Cake terbentuk pada

bagian luar alat filtrasi itu dan filtrat mengalir melalui cake yang terakumulasi menuju

bagian atas untuk dibuang. Peralatan ini dibersihkan dengan cara backwash.

Gambar 2 Skema Rotary Vaccum Filter

Jenis lain adalah rotary vacuum filter. Jenis ini paling banyak digunakan pada

skala besar di industri kimia karena dapat menangani padatan yang sulit difilter, dan

banyak dilengkapi sarana otomatis sehingga tenaga manual yang dibutuhkan tidak

banyak. Desain rotary vacuum filter juga sangat bervariasi. Bentuk dasar rotari vacuum

filter adalah Gambar 2. Filter ini dilengkapi drum yang terus berputar. Tekanan di luar

drum adalah tekanan atmosferik, tetapi di dalam drum mendekati vakum. Drum ini

dimasukkan ke dalam cairan yang mengandung suspensi padatan yang akan difilter, lalu

drum diputar dengan kecepatan rendah selama operasi. Cairan tertarik melewati filter

cloth karena tekanan vakum, sedangkan padatan akan tertinggal di permukaan luar drum

membentuk cake. Jika cake akan diambil dari drum, putaran drum dihentikan, drum

dikeluarkan dari fasa cair, cake dicuci, dikeringkan, dan kemudian diambil. Pengambilan

padatan dari drum dilakukan dengan sejenis pisau yang juga bermcam-macam jenis dan

disainnya bergantung jenis cake.

Page 5: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 5 dari 24

IV.2 Filtrasi Cake

Medium filter pada filtrasi cake relatif tipis dibandingkan dengan filter

klarifikasi. Pada awal filtrasi sebagian partikel padat masuk ke dalam pori medium dan

tidak dapat bergerak lagi, tetapi segera setelah itu bahan terkumpul lagi pada permukaan

septum/ medium penyaringnya. Setelah tahap awal yang berlangsung beberapa menit

tersebut zat padat cake tersebut berfungsi sebagai medium filtrasi, bukan septum lagi.

Cake tersebut terakumulasi sampai ketebalan tertentu pada permukaan dan sewaktu-

waktu harus dibersihkan.

Filter cake biasanya bekerja dengan tekanan lebih tinggi dari tekanan atmosfer

pada bagian hulu atau vakum pada sisi hilir. Filter ini dapat beroperasi kontinu dapat pula

secara batch. Namun karena sulitnya mengeluarkan zat padat melawan tekanan positif ,

umumnya filter diopersikan secara batch.

IV.2.1 Medium Filter

Septum atau medium penyaring pada setiap filter harus memenuhi persyaratan

sebagai berikut:

1. harus dapat menahan zat padat yang akan disaring dan menghasilkan filtrat yang

cukup jernih

2. tidak mudah tersumbat

3. harus tahan secara kimiawi dan kuat secara fisik dalam kondisi proses

4. harus memungkinkan penumpukan cake dan pengeluaran cake secara total dan

bersih

5. tidak mahal.

Dalam industri medium filter yang banyak dipakai adalah kain kanvas. Masing-masing

jenis kanvas dengan ketebalan dan pola anyaman tertentu juga memiliki kegunaan

tertentu. Untuk zat cair yang bersifat korosi digunakan medium filter seperti kain wol,

tenunan logam monel atau baja tahan karat, tenunan gelas, atau kertas. Kain sintesis

seperti nilon, polipropilena, dacron juga tahan secara kimia.

IV.2.2 Bahan Aditif untuk Proses Filtrasi

Zat padat yang lembek atau sangat halus, yang membentuk cake yang rapat dan

impermeabel akan segera menyumbat medium filtrasi yang cukup halus untuk

menahannya. Untuk menyaring bahan padat seperti itu porositas cake harus ditingkatkan

Page 6: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 6 dari 24

agar cairan tersebut dapat lewat dengan laju yang cukup. Hal ini dilakukan dengan

menambah bahan aditif filtrasi (filter aid) seeprti tanah diatom, silika, perlit, selulosa

kayu yang dimurnikan, atau bahan-bahan padat lain yang tidak bereaksi. Penambahan itu

dilakukan terhadap slurry umpan sebelum dilakukan filtrasi. Dalam filter batch lapisan

filter aid biasanya tipis, sedangkan pada filter kontinu lapisan ini biasanya tebal dan

bagian atasnya terkikis bersama zat padat yang tertahan filter oleh pisau kikis, sehingga

menghasilkan permukaan filtrasi yang baru. Penggunaan lapisan pendahuluan ini

biasanya dapat mencegah tersumbatnya medium filter sehingga dihasilkan filtrat yang

jernih.

IV.2.3. Filter Batch Berdasarkan Tekanan

Filter tekanan dapat memberikan perbedaan tekanan yang cukup besar melintas

septum sehingga menghasilkan filtrasi yang cukup cepat dengan zat cair viskos atau zat

padat halus. Filter tekanan yang umum adalah filter press dan shell-and-leaf filter.

Filter Press

Filter ini terdiri dari seperangkat lempengan yang dirancang untuk memberi

sederetan kompartemen untuk pengumpulan zat padat. Lempengan tersebut ditutup

dengan medium filter seperti kanvas. Slurry umpan masuk ke dalam masing-masing

lempengan dan medium filternya dengan tekanan, cairannya lewat melalui kanvas dan

keluar melalui pipa keluaran dan meninggalkan zat padat basah di antara lempengan

tersebut.

Gambar 3 Peralatan filter tekanan untukoperasi otomatis

Page 7: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 7 dari 24

Lempengan press yang digunakan ada yang berbentuk bujur sangkar atau

lingkaran, ada yang terletak vertikal dan horisontal. Tetapi umumnya lempengan untuk

zat padat itu dirancang dengan membuat tekukan pada permukaan lempeng, atau dalam

bentuk plate-and-frame. Pada desain plate and frame ini, lempengan berbentuk bujur

sangkar dengan panjang sisi 6-28 in dan disusun silih berganti dengan bingkai terbuka.

Lempengan tersebut tebalnya berkisar 0,25 sampai 2 in, sedangkan bingkainya setebal

0,25 sampai 8 inci. Lempengan dan bingkai itu didudukkan secara vertikal pada rak

logam dengan medium filter dipasang menutupi setiap bingkai dan dirapatkan dengan

bantuan sekrup dan rem hidraulik. Bubur umpan masuk pada satu ujung rakitan lempeng

dan bingkai tersebut. Slurry mengalir melalui saluran yang terpasang memanjang pada

salah satu sudut rakitan dari sudut tersebut melalui saluran tambahan mengalir ke dalam

masing-masing bingkai. Di sini zat padat itu diendapkan di atas permukaan pelat. Cairan

mengalir menembus kain filter, melalui alur atau gelombang pada permukaan lempeng,

sampai keluar press filter tersebut.

Sesudah filter tersebut dirakit, slurry dimasukkan dari pompa atau tangki

pendorong pada tekanan 3 sampai 10 atm. Filtrasi lalu diteruskan sampai tidak ada lagi

zat cair yang keluar dan tekanan filtrasi naik secara signifikan. Hal ini terjadi bila bingkai

sudah penuh dengan zat padat sehinggga slury tidak dapat masuk lagi. Filter itu disebut

jammed. Setelah itu, cairan pencuci dapat dialirkan untuk membersihkan zat padat dari

bahan-bahan pengotor yang dapat larut. Cake tersebut kemudian ditutup dengan uap atau

udara untuk membuang sisa zat cair tersebut sebanyak-banyaknya. Filter itu lalu

dibongkar, cake padatnya dikeluarkan dari medium filter sehingga jatuh ke konveyor

menuju tempat penyimpanan. Pada kebanyakan press filter, operasi tersebut berlangsung

secara otomatis.

Sampai cake bersih, proses pencucian memakan waktu beberapa jam karena

cairan pencuci cenderung mengikuti jalur termudah dan melangkahi bagian-bagian cake

yang terjejal rapat. Jika cake tidak terlalu rapat, sebagian besar cairan pencuci tidak

efektif membersihkan cake. Jika diinginkan pencucian sampai benar-benar bersih,

biasanya dibuat sluury lagi dengan cake yang belum tercuci sempurna. Pencucian lebih

lanjut dapat menggunakan zat cair pencuci dalam kuantitas besar dan menyaringnya

kembali dengan shell-and-leaf filter sehingga memungkinkan pencucian yang lebih

efektif dari pada plate and frame filter.

Page 8: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 8 dari 24

Shell-and-leaf Filter

Shell-and-leaf Filter memiliki beberapa keuntungan, antara lain:

1. dapat digunakan untuk proses filtrasi tekanan tinggi

2. tenaga manusia yang diperlukan sedikit

3. hasil pencucian cake lebih efektif

Gambar 4 Tekanan tangki horisontal shell and leaf filter

Salah satu model Shell-and-leaf Filter adalah tangki horisontal seperti pada

Gambar 4. Seperangkat lempengan disusun pada suatu rak yang dapat ditarik keluar.

Pada Gambar 4 terlihat unit tersebut sedang dibongkar untuk mengeluarkan cake. Pada

waktu operasi, lempengan-lempengan itu terletak di dalam selongsong yang tertutup.

Umpan masuk melalui sisi tangkai, filtrat lewat melalui daun dan keluar melalui sistem

pipa pembuangan.

Press Filter Continue

Filter ini biasanya memerlukan banyak tenaga manusia untuk operasinya. Untuk

mengatasinya digunakan tekanan vakum. Namun filter vakum juga terkadang kurang

ekonomis pada zat padat yang sangat halus, tekanan uap zat cair tinggi, viskositas lebih

dari 1 cP, atau bila zat cair berupa larutan jenuh yang akan mengkristal.

IV.3 Perlakuan Awal Sebelum Proses Filtrasi

Campuran tertentu seperti suspensi, padatan lumpur, atau larutan-larutan tertentu

(seperti produk bioproses) sulit difiltrasi langsung. Hal ini disebabkan campuran tersebut

merupakan fluida yang sangat non-newtonian, atau karena cake yang terbentuk sangat

compressible sehingga cake dapat terdeformasi menjadi lapisan yang tidak

Page 9: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 9 dari 24

permeabel.Karena itu, umpan yang memasuki peralatan filtrasi harus dikondisikan dahulu

seperti dengan pemanasan, koagulasi dan flokulasi, ataupun adsorpsi pada filter cloth.

IV.3.1 Pemanasan

Prose pemanasan adalah pretreatment umpan filter yang paling sederhana. Proses

ini umumnya terbatas oleh stabilitas termal cake. Pemanasan terkadang efektif dalam

pretreatment umpan filter karena pemanasan dapat mengubah karakteristik senyawa

kimia menjadi bentuk tak stabil yang mudah difiltrasi. Contohnya pada campuran koloid,

pemanasan dapat mengakibatkan ketidakstabilan koloid sehingga partikel koloid yang

semula terdistribusi homogen menjadi terganggu ikatan kimianya, terkoagulasi

membentuk agregat, dan mengendap sehingga mudah difiltrasi.

IV.3.2 Koagulasi dan Flokulasi

Metoda kedua adalah penambahan elektrolit untuk mendukung terjadinya

koagulasi dan flokulasi. Bahan elektrolit yang biasa ditambahkan bervariasi dari asam/

basa sederhana sampai bahan polielektrolit sintetik.

Elektrolit sederhana menyebabkan terjadinya koagulasi-flokulasi dengan

memilah-milah gaya tolak menolak elektrostatik yang terjadi antara partikel kololid. Jika

gaya tolak menolak elektrostatik ini dikurangi, gaya tarik-menarik Londan-van der Walls

akan mendominasi. Akibatnya koloid akan terkoagulasi menjadi partikel yang lebih

besar, lebih padat (dense) dan lebih mudah difiltrasi. Asam dan basa akan mengubah pH

sehingga mengubah muatan partikel. Jika muatan berkurang, partikel akan banyak

terkoagulasi dan makin mudah difiltrasi. Jika muatan bertambah, partikel yang

terkoagulasi sedikit dan campuran makin susah difiltrasi.

Polielektrolit sintetik dapat mengurangi gaya tolak-menolak elektrostatik,

mengadsorbsi dan membuat partikel beragregasi, membentuk semacam jembatan antar

partikel-partikel tersebut. Dengan demikian partikel koloid akan membentuk flok-flok

yang besar, agregat yang tidak begitu padat tetapi mudah difilter. Polielektrolit dapat

berupa anionik, kationik, dan nonionik.

IV.3.3 Adsorpsi dengan Filter Aids

Metoda pretreatment ketiga adalah penambahan filter aids. Partikel koloid pada

cairan akan teradsorbsi pada filter aids. Filter aids ini akan mengurangi kompresibilitas

Page 10: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 10 dari 24

cake, mengurangi penetrasi partikel kecil lain yang tidak diharapkan yang dapat menutupi

pori-pori membran sehingga mengurangi laju filtrasi.

IV.4 Teori Umum Filtrasi

Filtrasi adalah contoh khusus mengenai aliran melalui media berpori, khususnya

kasus di mana tahanan terhadap aliran konstan. Dalam filtrasi, tahanan aliran meningkat

sesuai dengan waktu, sesuai dengan pembentukan cake di atas medium filter atau filter

aid. Besaran-besaran utama yang penting adalah laju aliran melalui filter dan penurunan

tekanan melintasi unit tersebut. Dengan berjalannya waktu selama filtrasi, laju aliran akan

berkurang atau penurunan tekanan akan meningkat. Pada proses filtrasi tekanan tetap,

penurunan tekanan dibuat konstan dan laju aliran dibiarkan menurun sesuai waktu.

IV.4.1 Hukum Darcy

Hukum Darcy menghubungkan laju partikel padatan melalui lapisan berpori

dengan pressure drop yang menyebabkan aliran tersebut.

L.Pk.v

µ∆

= (1)

dimana:

v = laju alir padatan dalam campuran cairannya

k = konstanta proporsionalitas yang umum disebut konstanta permeabilitas Darcy

∆P = pressure drop pada melalui kedua tebal pelat

L = ketebalan pelat

µ = viskositas cairan

Analogi dengan Hukum Ohm, laju alir akan berbanding lurus dengan diriving

force verupa potensial ∆P pressure drop, dan berbanding terbalik dengan penghambat

alirannnya (L/k).

Namun, Hukum Darcy untuk filtrasi hanya berlaku pada kondisi:

5)-(1

dv<

εµρ

(2)

dimana:

d = ukuran partikel yang diasumsikan sama dengan diameter pori yang menahan filter

cake

ρ = densitas cairan

Page 11: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 11 dari 24

ε = fraksi kosong pada cake

IV.4.2 Filtrasi Batch

Pada filtrasi batch laju alir cairan yang akan difiltrasi dapat disusun ulang

menjadi:

dtdV.

A1v = (3)

dimana:

V = total volume filtrat

t = waktu filtrasi

Tahanan (L/k) dapat dianggap terjadi dari kontribusi tahanan cake (RC) dan

tahanan medium filter (RM), sehingga dapat ditulis:

CM RRkL

+= (4)

Dengan mensubstitusi persamaan 3 dan 4 ke persamaan 1 akan didapat:

( )CM RRP

dtdV.

A1

+∆

(5)

Tahanan medium RM biasanya konstan, tidak bergantung pada jumlah cake yang

dihasilkan, sedangkan tahanan cake RC bervariasi bergantung volume cake yang telah

difiltrasi.

Incompresible Cake

Jika cake bersifat incompresible, ketebalan cake berbanding lurus dengan volume

filtrat dan berbanding terbalik dengan luas filter, sehingga dapat ditulis:

=

AV..R oC ρα (6)

dimana α merepresentasikan reistansi spesifik cake dan ρo adalah massa cake per volume

filtrat. Dimensi α adalah panjang per massa.

Substitusi persamaan umum filtrasi menjadi:

+

∆=

AV..R

PdtdV.

A1

oM ραµ (7)

Page 12: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 12 dari 24

Dengan kondisi batas saat t =0, V=0 (pada awal proses tidak ada padatan yang tertahan

pada filter). Integrasi persamaan tersebut akan menghasilkan bentuk sederhana:

BAVK.

VAt

+

=

(8)

dimana: P

.RBdan P2.

..K Mo

∆=

∆=

µραµ

Dengan demikian plot antara (A.t / V) terhadap (V/A) akan linear. Gradien K adalah

fungsi pressure drop dan sifat milik cake (α,ρ). Intercep B tidak bergantung pada sifat

milik cake, tetapi preporsional terhadap tahanan medium. Jika tahanan medium

diabaikan, persamaan tersebut dapat disederhanakan lagi:

V. P2.

..t

2o

∆=

Aραµ

(9)

Compressibel Cake

Untuk mengestimasi efek faktor kompresibilitas, diasumsikan resistansi spersifik

α adalah fungsi dari ∆P menurut hubungan:

( )sP' ∆= αα (10)

α’ adalah konstanta yang berhubungan dengan ukuran dan bentuk partikel yang

membentuk cake, dan s adalah kompresibilitas cake. Umumnya s bervariasi dari 0,1

sampai 0,8. Nilai α’ dan s mudah ditentukan dengan memplot log α terhadap log ∆P. Jika

nilai s besar umpan harus dipretreatment dengan penambahan filter aid.

IV.4.3 Filtrasi Kontinu

Teknologi filtrasi yang umum diterapkan dalam industri kimia adalah filtrasi

kontinue. Analisis operasi filtrasi ini dibagi dalam 3 tahap. Dalam satu siklus filtrasi ada

3 proses pokok yang terjadi:

1. pembentukan cake,

2. pencucian cake untuk membuang larutan baik yang masih berguna maupun yang

telah menjadi limbah,

3. pelepasan cake dari filter.

Page 13: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 13 dari 24

( )P∆

=

=

.AV..'R

AV..R

oC

oC

ρα

ρα

Walapun proses pelepasan cake dari filter sangat penting dan menentukan

keseluruhan kesuksesan proses filtrasi, proses pelapasan cake ini tidak turut menentukan

ukuran filter.

IV.4.3.1 Pembentukan Cake

Diasumsikan proses filtrasi dengan siklus pertama pembentukan cake dimulasi

sesaat setelah umpan dimasukkan ke dalam filter. Diasumsikan tahanan medium filter RM

dapat diabaikan, sehingga persamaan dasar untuk proses filtrasinya menjadi:

CR.P

dtdV.

A1

µ∆

= (11)

Seperti sebelumnya, kondisi batas yang digunakan adalah saat t=0, volume filtrat V=0.

Jika Rc ditulis ulang dan diasumsikan cake bersifat compressible:

(12)

(13)

Dengan mengombinasikan kedua persamaan tersebut, dan dilakukan integrasi sepanjang

badan filter dimana terjadi pembentukan cake akan diturunkan persamaan:

( ) V.

P2..'.

t2

f1

of

∆= − As

ραµ (14)

dimana tf adalah waktu pembentukan cake, Vf adalah volume filtrat yang terakumulasi

selama watu tf. Waktu filtrasi tf terkadang dinyatakan dalam bentuk hubungannnya

dengan waktu 1 siklus filtrasi tc, yang dinyatakan sebagai:

cf β.tt = (15)

dengan β adalah fraksi waktu dari keseluruhan waktu kerja filter. β adalah fraksi waktu

satu siklus filtrasi yang digunakan untuk pembentukan cake. Maka persamaan filtrasi

yang dinyatakan dalam bentuk tc dan β akan menjadi:

( ) 21

co

s1

c

f

.tµ.α'.ρP2.β.

A.tV

∆=

(16)

Page 14: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 14 dari 24

Dari persaamaan itu dapat disimpulkan bahwa pembentukan cake dapat dikendalikan

dengan memvariasikan tc dan β. Pada β yang konstan, fulks filtrat akan berbanding

terbalik dengan akar tc.

V.4.3.2 Pencucian Cake

Setelah cake terbentuk dan terakumulasi dalam jumlah yang cukup banyak,

dilakukan pencucuian untuk melarutkan dan membuang pelarut dan cairan lain yang tidak

diinginkan berada dalam cake tersebut. Proses pencucian ini memiliki 2 fungsi. Fungsi

pertama adalah membuang pelarut yang tidak diinginkan dalam cake yang terjebak dalam

pori-pori di dalam cake. Yang kedua, proses pencucian berfungsi mendukung difusi

keluar larutan yang terikat dalam partikel cake. Difusi ini akan memudahkan recovery

cake selanjutnya.

Ada 2 faktor yang terrlibat dalam proses pencucian cake. Yang pertama adalah

fraksi bahan terlarut yang masih boleh berada dalam cake setelah pencucian selesai,

fraksi ini menentukan volume larutan pencuci yang dibutuhkan. Faktor kedua adalah laju

larutan pencuci melewati cake. Laju pencucian ini mengendalikan fraksi waktu dari

keseluruhan waktu siklus tc yang dibutuhkan untuk pencucian.

Fraksi material terlarut yang dapat ditoleransi berada dalam cake setelah

pencucian berhubungan dengan volume larutan pencuci yang dibutuhkan menurut

persamaan:

( )nε-1r = (17)

dimana r adalah rasio bahan terlarut yang masih tertahan dalam cake setelah pencucian

dengan bahan t erlarut mula-mula sebelum dicuci, n adalah volume larutan pencuci dibagi

dengan volume cairan yang tertahan dalam cake, dan ε adalah efisiensi pencucian cake.

Fraksi r bervariasi dari 0 sampai 1, makin kecil r makin efektif pencucian. Efisiensi 1

berarti r =1, dan berarti pula tidak akan ada bahan terlarut tertinggal dalam cake

berapapun volume pencuci yang digunakan.

Larutan pencuci tidak mengandung padatan baru, sehingga laju alirnya dapat

dianggap konstan dan sama dengan laju filtrat di akhir tahap pembentukan cake. Laju alir

ini dinyatakan dengan persamaan:

( )W

21

fo

s1W .t

.t2.µ.µ.α'∆P

AV

=

(18)

Page 15: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 15 dari 24

fn..2tt

VV.

VV.2

tt

VV.2

tt

f

W

f

r

r

W

f

W

f

W

f

W

=

=

=

dimana VW adalah volume larutan pencuci yang dibutuhkan, tW adalah waktu yang

dibutuhkan untuk pencucian. Pada banyak kasus akan sangat berguna hubungan berikut:

(19)

(20)

(21)

dimana Vr adalah volume pencuci yang tertahan di dalam cake, dan f adalah rasio volume

pencuci yang tertahan di dalam cake terhadap volume filtrat.

IV.5 Proses Filtrasi pada Tekanan Tetap

Proses filtrasi yang dikerjakan dalam praktikum ini adalah proses filtrasi pada

tekanan tetap. Ada beberapa asumsi yang digunakan dalam praktikum ini:

1. -∆P yaitu penurunan tekanan dianggap konstan pada tiap tempuhan

2. Konsentrasi slurry konstan pada setiap tempuhan

3. Temperatur sluury sama dengan temperatur filtrat

4. dV/dt dapat dianggap sama dengan ∆V/∆t

5. tidak ada kebocoran

6. filtrat dianggap berupa padatan

Persamaan umum untuk semua jenis filtrasi pada tekanan tetap dikembangkan

oleh Hermans-Bredee (1935). Persamaan tersebuat adalah: n

12

2

dVdT.k

dVtd

= (22)

dimana V adalah volume filtrat yang terkumpul selama waktu t, k1 dan n adalah konstanta

empirik.

Seperti telah disebutkan sebelumnya, dalam filtrasi dengan akumulasi cake, zat

cair mengalir melalui 2 tahanan seri; tahanan cake dan tahanan medium filter. Tahanan

medium filter umumnya hanya signifikan pada tahap-tahap awal saja. Tahanan cake

adalah 0 pada awal filtrasi dan meningkat selama berlangsungnya filtrasi. Jika cake dicuci

Page 16: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 16 dari 24

setelah filtrasi, kedua tahanan tersebut konstan selama proses pencucian dan tahanan

medium filter biasanya dapat diabaikan.

Penurunan tekanan menyeluruh pada setiap waktu adalah jumlah dari penurunan

tekanan pada medium dan pada ampas. Jika pa adalah tekanan pada waktu masuk dan pb

adalah tekanan kelkuar, dan p’ adalah tekanan antara batas cake dan medium, maka:

mcbaba ppppppppp ∆+∆=−+−=−=∆ )'()'( (23)

dimana:

∆p = penurunan tekanan keseluruhan

∆pc = penurunan tekanan pada cake

∆pm = penurunan tekanan pada medium

Penurunan Tekanan Melalui Cake

Gambar 5 menunjukkan diagram satu potongan cake filter dan medium filter

pada waktu tertentu t sejak awal aliran filtrat. Pada waktu itu tebal ampas diukur dari

medium filter adalah Lc. Luas filter A diukur tegak lurus terhadap arah aliran. Perhatikan

suatu lapisan tipis cake setebal dL yang terletak di dalam cake pada jarak L dari medium.

Tekanan pada titik ini adalah p. Lapisan ini terdiri dari hamparan tipis partikel zat padat

yang dilalui aliran filtrat. Dalam hamparan filter laju alir biasanya rendah sehingga

alirannya laminar.

Gambar 5 Penampang melalui medium filter dan cake

Oleh karena itu, sebagai titik awal untuk menghitung penurunan tekanan melalui

cake dapat digunakan persamaan:

Page 17: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 17 dari 24

3

223

.

)1.(..

ε

εµ

C

P

P

gv

suk

dLdP

= (24)

dimana:

dP/dL = gradien tekanan pada ketebalan L

µ = viskositas filtrat

u = laju alir linear atas dasar luas permukaan filter

sP = luas permukaan satu partikel

vP = volume satu partikel

ε = porositas cake

k3 = konstanta

gc = faktor proporsional Hukum Newton

Kecepatan linier dapat dihitung dari persamaan: A

dtdV

u = , dimana V adalah

volume filtrat yang terkumpul sejak awal filtrasi hingga waktu t. Oleh karena filtrat harus

melewati keseluruhan cake, V/A sama untuk semua lapisan, dan u tidak bergantung pada

L. Volume zat padat pada lapisan itu adalah A.(1-ε)dL, dan jika ρp adalah densitas

partikel, massa dm zat padat pada lapisan itu adalah:

dLAdm p .).1( ερ −= (25)

Eliminasi dL akan menghasilkan:

dmAg

vsuk

dLpC

P

P

..

)1.(..3

23

ρε

εµ

= (26)

Pada proses penyaringan bertekanan tetap persamaan Kozeny-Carman dapat

diterapkan:

32.p

2

ε Dε).v.(1µ 180.

L∆P −

=− (27)

dengan:

ε.L.A) (V.C ρ ε).-(1 A. . L sp += (28)

Page 18: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 18 dari 24

.V∆P.A

α.µ.C∆P.A

µ.RdVdt

A.Vα.µ.Cµ.R.

A.dtdV∆P

)∆P()∆P(∆P

µ.R∆P

AV.α.µ.C

∆PA.dtdV

ε).µµ.(5.Sε.

.VCε).ρA.(1

.∆PA.dtdV

ε).ρA.(1.VC.ε).(1

A.dtdV.

ε5.S

L∆P

2sm

sm

mc

m

m

s

c

2o

3

s

pc

p

s23

2oc

−+

−=

+=

−+−=

−=

−=

−−=

−−=

− µ

Jika diturunkan dengan prosedur berikut:

(29) (30) (31) (32) (33) (34)

maka akan diperoleh:

.V2

KB

Vt

∆P).A(µ.RBdan

∆P).A(α.µ.CK

.V2

KB.Vt

p

m2

sp

2p

+=

−=

−=

+=

(35)

Persamaan tersebut adalah persamaan filtrasi pada tekanan tetap.

V. Rancangan Percobaan

V.1 Perangkat dan Alat Ukur

1. Satu unit peralatan filtrasi Plate and Frame Filter Press

2. Tangki Suspensi

3. Kompresor

4. Oven

5. Gelas Ukur

6. Stopwatch

Page 19: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 19 dari 24

V.2 Bahan/ Zat Kimia

1. Bubuk CaCO3 atau bubuk yang sejenis

2. Air

V.3 Langkah Percobaan

Percobaan Filtrasi dilakukan sesuai diagram kerja seperti pada Gambar 4.

CaCO3

campurkan dengan air

Slurry CaCO3

Peralatan Filtrasi

SiapkanNyalakan agitator

Peralatan Filtrasi siapdigunakan

masukkan slurry

Udara

alirkan

Filtrat

slurry mengalir kefilter

Catat volumenyatiap waktu tertentu

Padatan Saring

Timbang

Data

Gambar 4 Diagram Alir Praktikum Modul Filtrasi V.4 Data Pengamatan

Dalam praktikum modul Filtrasi ini, data yang diambil hanyalah data massa cake

basah dan massa cake kering. Contoh tabel data pengamatan praktikum adalah

sebagai berikut:

Konsentrasi padatan = % (W/W)

∆P = N/m2

Massa cake basah = g

Massa cake kering = g

Jenis medium penyaring =

Tabel pengamatan:

Volume filtrat (mL) Waktu (detik) t/V (detik/m3)

Page 20: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 20 dari 24

V.5 Data Literatur

Data literatur yang dibutuhkan adalah:

V.5.1 Viskositas dan densitas air pada berbagai T

T (0C) µ (cP) ρ (kg/m3)

Sumber:

V.5.2 Koefisien Kompresibilitas (δ)

Jenis Cake Rentang δ

Compressible cake

Incompressibel cake

δ >0 ; 0,2 ≤ δ ≤ 0,8

δ = 0

V.6 Prosedur Perhitungan

V.6.1 Perhitungan Rasio Cake

Persamaan yang digunakan:

V.6.2 Perhitungan konsentrsi cake kering yang terakumulasi

Persamaan yang digunakan:

dimana Cx = fraksi massa padatan dalam slurry

ρ = densitas filtrat

V.6.3 Perhitungan resistansi spesifik bahan

Persamaan yang digunakan :

V.6.4 Perhitungan resistansi spesifik medium (Rm)

kering cakeberat basah cakeberat m =

x

xs m.C1

ρ.CC−

=

V terhadapvtgrafik slope

2K

dimana

µ.C∆P).(.A K

α

p

s

2p

=

−=

V terhadapvtgrafik intercept B dimana

µ∆P)( B. A. R m

=

−=

Page 21: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 21 dari 24

V.6.5 Contoh Data dan Pengolahan Data

Misalkan data hasil praktikum adalah sebagai berikut:

- Konsentrasi slurry yang digunakan = Cx = 0,05

- Beda tekan = ∆P = 8,5 Psi = 58589,285 Pa

- Massa cake basah = mb = 3,417 g

- Massa cake kering = mk = 2,575 g

- Medium penyaring = kanvas

- Viskositas air pada 26 0C = 0,93 cP

- Luas frame = 0,0216 m2

- Densitas air pada 26 0C = 996,783 kg/m3

Tebel Pengamatan Volume Filtrat setiap waktu adalah:

V (m3) t (detik) t/V (detik/m3) 0.0005 3 6000.000 0.001 9 9000.000

0.0015 14 9333.333 0.002 27 13500.000

0.0025 22 8800.000 0.003 29 9666.667

0.0035 37 10571.429 0.004 44 11000.000

0.0045 47 10444.444 0.005 53 10600.000

0.0055 59 10727.273 0.006 65 10833.333

0.0065 71 10923.077 0.007 77 11000.000

0.0075 83 11066.667 0.008 88 11000.000

0.0085 97 11411.765 0.009 102 11333.333

0.0095 110 11578.947 0.01 118 11800.000

0.0105 124 11809.524 0.011 132 12000.000

0.0115 140 12173.913 0.012 149 12416.667

0.0125 155 12400.000 0.013 162 12461.538

Page 22: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 22 dari 24

V (m3) t (detik) t/V (detik/m3) 0.0135 171 12666.667 0.014 180 12857.143

0.0145 189 13034.483 0.015 196 13066.667

0.0155 204 13161.290 0.016 213 13312.500

0.0165 223 13515.152 0.017 232 13647.059

0.0175 242 13828.571 0.018 253 14055.556

0.0185 266 14378.378 0.019 276 14526.316

0.0195 290 14871.795 0.02 304 15200.000

0.0205 316 15414.634 0.021 329 15666.667

0.0215 343 15953.488 0.022 357 16227.273

0.0225 370 16444.444 0.023 383 16652.174

0.0235 397 16893.617 0.024 413 17208.333

0.0245 427 17428.571 0.025 441 17640.000

0.0255 456 17882.353 0.026 470 18076.923

0.0265 484 18264.151 0.027 499 18481.481

0.0275 516 18763.636 0.028 532 19000.000

0.0285 548 19228.070 0.029 564 19448.276

0.0295 581 19694.915 0.03 598 19933.333

0.0305 613 20098.361 0.031 629 20290.323

0.0315 646 20507.937 0.032 665 20781.250

0.0325 680 20923.077 0.033 695 21060.606

0.0335 711 21223.881 0.034 730 21470.588

0.0345 743 21536.232 0.035 759 21685.714

0.0355 777 21887.324 0.036 795 22083.333

Page 23: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 23 dari 24

V (m3) t (detik) t/V (detik/m3) 0.0365 814 22301.370 0.037 835 22567.568

0.0375 855 22800.000 0.038 876 23052.632

0.0385 899 23350.649 0.039 923 23666.667

0.0395 946 23949.367 0.04 968 24200.000

0.0405 989 24419.753 0.041 1013 24707.317

0.0415 1059 25518.072 0.042 1167 27785.714

Grafik Karakteristik Proses Filtrasi tersebuat adalah:

Kurva Filtrasi

y = 397607x + 7885.9R2 = 0.97

0.000

5000.000

10000.000

15000.000

20000.000

25000.000

30000.000

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045

V (m3)

t/V (d

et/m

3)

Dari grafik tersebut didapat persamaan:

9.7885*397607Vt

+= V

Dari hubungan:

V terhadapvtgrafik slope

2K

dimana

µ.C∆P).(.A K

α

p

s

2p

=

−=

∆P*AR*µ

q1adalah sebut grafik terIntercept m

0=

Page 24: Modul Filtrasi ITB

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 1.04 Filtrasi Halaman 24 dari 24

Maka:

m/kg 2432,437865381 53,*0,001*0,93

58589,285*0,0216*2*397607 α

381,530,05*

2,575417,31

0,05*996,783

.Cmb1

ρ.Cm.C1ρ.CC

397607∆P).(A.2α.µ.C

2K

x

x

x

xs

2sp

==

=−

=−

=−

=

=−

=

mk

mA /83,10731001001,0*93,058589,285*0,0216*9,7885∆P**9,7885R

9,7885∆P*AR*µ

q1

m

m

0

===

==

µ

A adalah luas permukaan filtrasi yang diasumsikan sama dengan luas frame. dihitung

dengan cara:

A = Luas bujur sangkar – 2 Luas lingkaran

A = 15*15 – 2*1/4*π*(1,5)2 =216 cm2 = 0,0216 m2

Daftar Pustaka

1. Larian, M.G., Fundamentals of Chemical Engineering Operations, Prentice Hall Inc.,

1958, pp. 585

2. Geankoplis, C.j., Transport Process and Unit Operations, 2nd Edition, Allyn and

Bacon Inc., Boston, 1993

3. Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 5rd Edition, McGraw-Hill

Book Co., Singapore, 1993, pp. 309-369.