Tujuan Pembelajaran Umum
Mahasiswa mampu memahami prinsip-prinsip kerja, perhitungan operasi teknik kimia,
tujuan dan manfaat satuan operasi secara mekanik
Tujuan Pembelajaran Khusus
Mahasiswa dapat memahami prinsip-prinsip kerja, perhitungan operasi teknik kimia,
tujuan dan manfaat satuan operasi secara mekanik
1.1 Perlakuan Mekanik
Dalam Teknik Kimia dan bidang-bidang terkait, unit operasi adalah suatu tahapan
dasar dalam suatu proses. Suatu proses dapat terdiri dari banyak unit operasi untuk
mendapatkan produk yang diinginkan. Setiap unit operasi mengikuti hukum fisika yang
sama dan dapat digunakan pada semua industri kimia. Unit operasi menjadi prinsip
dasar dalam bidang teknik kimia. Unit operasi dan teknik kimia membentuk dasar
utama untuk segala jenis industri kimia dan merupakan dasar perancangan pabrik kimia
serta alat-alat yang digunakan.
Dalam Teknik Kimia, proses pemisahan digunakan untuk mendapatkan dua atau lebih
produk yang lebih murni dari senyawa kimia. Sebagian besar senyawa kimia ditemukan
di alam dalam keadaan yang tidak murni. Biasanya, suatu senyawa kimia berada dalam
keadaan tercampur dengan senyawa lain. Untuk beberapa keperluan seperti sintesis
senyawa kimia yang memerlukan bahan baku senyawa kimia dalam keadaan murni atau
proses produksi suatu senyawa kimia dengan kemurnian tinggi, proses pemisahan perlu
dilakukan
Dalam proses pemisahan digunakan untuk mendapatkan dua atau lebih produk yang
lebih murni dari suatu senyawa kimia. Secara mendasar, proses pemisahan dapat
diterangkan sebagai proses. Proses pemisahan sendiri dapat diklasifikasikan menjadi
proses pemisahan secara mekanis atau kimiawi. Pemilihan jenis proses pemisahan yang
digunakan bergantung pada kondisi yang dihadapi. Pemisahan dengan cara perlakuan
mekanis dilakukan kapanpun memungkinkan karena biaya operasinya lebih murah dari
pemisahan secara kimiawi. Untuk campuran yang tidak dapat dipisahkan melalui proses
pemisahan dengan perlakuan mekanis (seperti pemisahan minyak bumi), proses
pemisahan kimiawi harus dilakukan.
BAB I
PENDAHULUAN
2 Pemisahan Mekanik
Proses pemisahan suatu campuran dapat dilakukan dengan berbagai metode. Metode
pemisahan yang dipilih bergantung pada fasa komponen penyusun campuran. Suatu
campuran dapat berupa campuran homogen (satu fasa) atau campuran heterogen (lebih
dari satu fasa). Suatu campuran heterogen dapat mengandung dua atau lebih fasa: padat-
padat, padat-cair, padat-gas, cair-cair, cair-gas, gas-gas, campuran padat-cair-gas, dan
sebagainya. Pada berbagai kasus, dua atau lebih proses pemisahan harus
dikombinasikan untuk mendapatkan hasil pemisahan yang diinginkan. Pemisahan
komponen-komponen dari suatu campuran menjadi fraksi-fraksi lain yang berbeda,
baik dalam ukuran partikel, fase, atau komposisi kimianya diperlukan suatu proses
pemisahan.
Misalnya :
Proses reduksi ukuran untuk menghasilkan ukuran dan bentuk partikel yang sesuai
dengan kebutuhan pada proses berikutnya dan memperluas permukaan partikel agar
dapat mempercepat kontak dengan zat lain.
Proses distilasi untuk memisahkan dua produk atau lebih di dalam suatu campuran
menjadi produk yang murni.
Proses klasifikasi untuk menghasilkan produk yang berharga, seperti bijih logam
dengan memisahkan dari pengotornya dan sebagainya.
Banyak metode yang digunakan untuk melakukan pemisahan (separasi), dan ada
beberapa satuan operasi yang dikhususkan untuk itu. Dalam praktek, banyak. masalah
separasi yang harus dihadapi dan kita harus memilih di antara berbagai metode itu,
mana yang paling cocok untuk masalah yang dihadapi.
Prosedur pemisahan komponen-komponen campuran dapat dikelompokkan menjadi dua
metode, yaitu:
Metode operasi difusi (diffusional operation) yang meliputi perubahan fase atau
perpindahan bahan dari satu fase ke fase yang lain
Metode separasi dengan perlakuan mekanik atau pemisahan mekanik
(mechanical separation), yang digunakan untuk memisahkan partikel zat padat atau
tetesan zat cair dengan memanfaatkan gaya-gaya yang bekerja pada partikel dan
fluida.
Gaya-gaya yang bekerja pada proses pemisahan dengan perlakuan mekanik adalah gaya
gravitasi, gaya sentrifugal dan, gaya tekan atau vakum.
Separasi dengan perlakuan mekanik dipakai untuk campuran heterogen, bukan untuk
larutan homogen, terutama adalah mengenai partikel ukuran lebih besar dari 0,1 m.
Teknik-teknik ini didasarkan atas perbedaan fisika antara partikel-partikel itu, seperti
ukuran, bentuk, atau densitas. Teknik ini dapat digunakan untuk memisahkan zat padat
dari gas, tetesan zat cair dari gas, zat padat dari zat padat, atau zat padat dari zat cair.
3 Pemisahan Mekanik
Penggunaan teknik ini berdasarkan perbedaan laju sedimentasi partikel atau tetesan
pada waktu bergerak melalui zat cair atau gas.
1.2 Klasifikasi Proses Pemisahan Dengan Prinsip Perlakuan Mekanik
Proses pemisahan dengan perlakuan mekanik diklasifikasikan sebagai berikut :
Reduksi ukuran (size reduction)
Pemisahan berdasarkan ukuran (sizing)
Pemisahan dengan pengendapan dan sedimentasi (settling and sedimentation)
Pemisahan dengan filtrasi
Pemisahan dengan gaya sentrifugal
Fluidisasi
Reduksi ukuran atau pengecilan ukuran (kominusi) merupakan tahap awal dalam proses
pengolahan bahan dalam industri yang bertujuan untuk :
1. Membebaskan / meliberasi mineral berharga dari material pengotornya.
2. Menghasilkan ukuran dan bentuk partikel yang sesuai dengan kebutuhan pada
proses berikutnya.
3. Memperluas permukaan partikel agar dapat mempercepat kontak dengan zat lain
Pemisahan berdasarkan ukuran (sizing) adalah proses pemisahan secara mekanik
berdasarkan perbedaan ukuran partikel yang menggunakan peralatan ayakan.
Pengayakan (screening) dipakai dalam skala industri, sedangkan penyaringan (sieving)
dipakai untuk skala laboratorium
Pemisahan Sedimentasi adalah metode pemisahan padatan dan cairan (suspensi) dengan
menggunakan gaya gravitasi untuk mengendapkan partikel suspensi. Pemisahan dengan sentrifugasi adalah metode pemisahan campuran padatan dan cairan
(suspensi) dengan menggunakan gaya sentrifugal untuk mengendapkan partikel
suspensi.
Filtrasi adalah suatu operasi pemisahan campuran antara padatan dan cairan (slurry)
dengan melewatkan umpan berupa campuran padatan - cairan melalui medium
penyaring (filter), karena adanya daya dorong (driving force) yaitu perbedaan tekanan
masuk umpan dan tekanan keluar filtrat.
4 Pemisahan Mekanik
Pemisahan dengan filtrasi sentrifugasi adalah suatu operasi pemisahan campuran antara
padatan dan cairan (slurry) dengan melewatkan umpan berupa campuran padatan -
cairan melalui medium penyaring (filter), karena adanya gaya sentrifugal.
Fluidisasi merupakan salah satu teknik pengontakan fluida baik gas maupun cairan
dengan butiran padat. Pada fluidisasi kontak antara fluida dan partikel padat terjadi
dengan baik karena permukaan kontak yang luas.
5 Pemisahan Mekanik
Tujuan Pembelajaran Umum
1. Mahasiswa mampu menjelaskan proses pengecilan/pengurangan ukuran
bahan padat dari ukuran kasar/besar menjadi bentuk yang lebih halus/kecil
dengan pemecahan/crushing dan penggilingan/grinding.
2. Mahasiswa mampu menjelaskan teori energi dan daya yang dibutuhkan
untuk pengecilan/pengurangan ukuran (energi kominusi); yaitu teori Kick,
Rittinger dan Bond
Tujuan Pembelajaran Khusus
1. Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan proses pengecilan pengurangan
ukuran bahan padat dan ukuran kasar/besar menjadi bentuk yang lebih
halus/kecil dengan pemecahan/crushing dan penggilingan/grinding.
2. Mahasiswa dapat menjelaskan teori energi dan dayayang dibutuhkan untuk
pengecilan/pengurangan ukuran (energi kominusi); yaitu teori Kick, Rittinger
dan Bond
2.1 Pendahuluan
Kominusi atau pengecilan ukuran merupakan tahap awal dalam proses perlakuan me
kanik yang bertujuan untuk :
1. Membebaskan / meliberasi mineral berharga dari material pengotornya dalam
bijih logam.
2. Menghasilkan ukuran dan bentuk partikel yang sesuai dengan kebutuhan pada
proses berikutnya.
3. Memperluas permukaan partikel agar dapat mempercepat kontak dengan zat
lain, misalnya reagen flotasi.
Kominusi ada 2 (dua) macam, yaitu :
1. Peremukan / pemecahan (crushing)
2. Penggerusan / penghalusan (grinding)
Disamping itu kominusi, baik peremukan maupun penggerusan, bisa terdiri dari
beberapa tahap, yaitu :
1 Tahap pertama / primer (primary stage)
BAB II
REDUKSI UKURAN (SIZE REDUCTION)
6 Pemisahan Mekanik
2 Tahap kedua / sekunder (secondary stage)
3 Tahap ketiga / tersier (tertiary stage)
Variabel Operasi Pengecilan Ukuran (SR) :
1. Moisture content : kandungan cairan.
Di bawah 3 4 % (%berat) cairan dalam bahan, SR tidak mengalami kesulitan.
Di atas 4%, bahan menjadi sticky (lengket), cenderung menyumbat mesin/alat.
Di atas 50%, wet size reduction, biasanya untuk padatan halus.
2. Reduction ratio : rasio diameter rata-rata umpan dengan diameter rata-rata produk.
=
Mesin penghancur ukuran besar atau crusher, mempunyai rasio 3 s/d 7.
Mesin penhancur ukuran halus atau grinder, mempunyai rasio s/d 100.
2.2 Kebutuhan Energi Dan Daya Untuk Pengecilan Ukuran
Energi yang dibutuhkan crusher/grinder digunakan untuk :
a. Mengatasi friksi mekanis.
b. Menghancurkan bahan.
Teori-teori atau hukum-hukum untuk memprediksi kebutuhan energi dan daya dalam
reduksi ukuran, memberikan kalkulasi hasil perhitungan mendekati sekitar 0,1-2% dari
hasil pengukuran. Energi dan daya yang dibutuhkan diturunkan dari teori-teori
perubahan energi dE terhadap perubahan ukuran dX dari partikel ukuran X berbanding
terbalik, seperti pada persamaan dibawah ini :
= ( 1 )
Dimana: dE = perubahan energy
dX = perubahan ukuran
C, n = konstanta yang besarnya tergantung dari jenis material dan alat
7 Pemisahan Mekanik
Teori-Teori/Hukum-Hukum Untuk Menentukan Energi Kominusi
1. Teori/Hukum Rittinger
2. Teori/Hukum Kicks
3. Teori/Hukum Bond
1. Teori/Hukum Rittinger
Energi ini proporsional terhadap luas permukaan baru yang terbentuk. Rittinger
melakukan percobaan tentang hal ini, menggunakan a drop weight crusher Hasil
percobaannya dinyatakan dalam energi mekanis yang dibutuhkan luas permukaan baru
yang terbentuk. Contoh : quartz , setiap energi 1 kgf-cm akan memberikan luas permukaan
baru sebesar 17,56 cm2.
Luas permukaan baru = selisih luas permukaan sebelum dihancurkan dan setelah
dihancurkan pada bilangan Rittinger, hal ini disebabkan energi alat harus mengatasi friksi
dan efek enersia. Menurut Rittinger energi kominusi sebanding dengan luas permukaan
baru yang terbentuk, maka, dalam penelitiannya Rittinger menentukan harga n=2,
sehingga,
=
=
, dintegralkan dengan batas: X1 = XF dan X2 = XP, maka:
=
=
=
=
KR = C = konstanta Rittinger, maka :
=
( 2 )
2. Teori/Hukum Kicks
Dalam penelitiannya Kicks menentukan harga n =1, maka;
=
=
8 Pemisahan Mekanik
=
, dintegralkan dengan batas: X1 = XF dan X2 = XP, maka:
=
= =
KK=C=konstanta Kicks, maka :
= ( 3 )
3. Teori/Hukum Bond
Dalam penelitiannya Bond menentukan harga n = 1,5 , maka;
=
=
, dintegralkan dengan batas: X1 = XF dan X2 = XP, maka:
=
=
,
,
, =
, ,
KB = 2C, maka : = ,
,
=
( 4 )
Dimana : KB= konstante Bond
XF = ukuran umpan 80% lolos (mm)
XP = ukuran produk 80% lolos (mm)
Untuk menentukan KB, Bond melakukan percobaan dengan mereduksi ukuran dari
ukuran sangat besar () menjadi ukuran 100 m (80% lolos), sehingga :
XF = dan XP = 100 m = 0,1 mm
=
,
=
, = ,
Energi untuk reduksi ukuran dari ukuran sangat besar () menjadi ukuran 100 m (80%
lolos) didifinisikan sebagai indek kerja material (Ei ) (kWh/Ton), sehingga rumus
Bond menjadi :
9 Pemisahan Mekanik
= ,
( 5 )
Dimana : = ,
Bila daya yang dibutuhkan P (kW) dan laju umpan T (Ton/jam), maka :
= = ,
( 6 )
Bila, XF dan XP dalam satuan m ( 1mm = 1000m ), maka :
= = ,
= =
( 7 )
Bila, XF dan XP dalam satuan ft ( 1ft = 304,8 mm ), maka :
= = ,
,
= = ,
( 8 )
Bila P (dalam HP), T (dalam Ton/menit) , XF dan XP dalam satuan ft (1 ft=304,8 mm),
maka :
= = ,
,
= = ,
/ ( 9 )
Contoh-1:
Untuk memecah 10 Ton/jam material hematite dengan indek kerja 12,68 kWh/Ton
digunakan Crusher. Ukuran umpan 80% lolos 3-in (76,2 mm)(80% dan ukuran produk
80% lolos 1/8-in(3,175 mm).
Hitung : a. Energi yang dibutuhkan dalam kWh/Ton
b. Energi yang dibutuhkan dalam
/
c. Daya yang dibutuhkan dalam kW
d. Daya yang dibutuhkan dalam HP
10 Pemisahan Mekanik
Penyelesaian :
Ei = 12,68 kWh/Ton T = 10 Ton/jam
XF = 3-in = 76,2 mm = 76200 m
XP = 1/8-in = 3,175 mm = 3175 m
a. Energi dalam (kWh/Ton):
= =
= = (, )
= = ,
b. Energi dalam (
/):
= = ,
/
XF = 3-in = 0,25 ft XP= 1/8-in=0,0104 ft
= = , ,
,
,
= ,
/
c. Daya, P (kW): = =
,
=
d. Daya, P (HP)
=
= ,
= = ,
,
/= ,
Contoh-2:
Untuk memecah biji logam dari ukuran umpan 50,8 mm (80% lolos) menjadi produk
6,35 mm (80% lolos) dibutuhkan daya 89,5 kW. Dengan menggunakan Persamaan
Hukum Bond, berapa daya yang dibutuhkan untuk ukuran umpan yang sama, dengan
ukuran produk 3,18 mm ?
Penyelesaian :
XF=50,8 mm=50.800 m(80% lolos)
XP=6,35 mm= 6.350 m (80% lolos)
P=89,5 kW
11 Pemisahan Mekanik
= =
/
= =
= =
.
. = ,
= ,
XF= 50,8 mm = 50800 m (80% lolos) XP=6,35 mm = 3180 m (80% lolos) P = ?
= =
= = ,
= ,
2.3 Peralatan Pengecilan Ukuran
1. Peralatan Peremukan / Pemecahan (Crushing)
Peremukan adalah proses reduksi ukuran dari material yang langsung dari tambang
(ROM = run of mine) dan berukuran besar-besar (diameter sekitar 100 cm) menjadi
ukuran 20-25 cm bahkan bisa sampai ukuran 2,5 cm. Peralatan yang dipakai antara lain
adalah :
1. Jaw crusher
2. Gyratory crusher
3. Cone crusher
4. Roll crusher
5. Impact crusher
6. Rotary breaker
7. Hammer mill
2. Peralatan Penggerusan / Penghalusan (Grinding)
Penggerusan adalah proses lanjutan reduksi ukuran dari yang sudah berukuran
2,5 cm menjadi ukuran yang lebih halus. Pada proses penggerusan dibutuhkan
media penggerusan yang antara lain terdiri dari :
12 Pemisahan Mekanik
1. Bola-bola baja atau keramik (steel or ceramic balls)
2. Batang-batang baja (steel rods)
3. Campuran bola-bola baja dan materialnya sendiri yang disebut semi
autagenous mill (SAG).
4. Tanpa media penggerus, hanya materialnya sendiri yang saling menggerus
dan disebut autogenous mill.
Peralatan penggerusan yang dipergunakan adalah :
1. Ball mill dengan media penggerus berupa bola-bola baja atau keramik
2. Rod mill dengan media penggerus berupa batang-batang baja.
Gambar 2.1 Jaw Crusher
13 Pemisahan Mekanik
Gambar 2.2 Gyratory Crusher Gambar 2.3 Impact Crusher
Gambar 2.4 Roll Crusher Licin Gambar 2.5 Roll Crusher Bergigi
14 Pemisahan Mekanik
Gambar 2.6 Rotary Breaker
Gambar 2.7 Hammer Mill
15 Pemisahan Mekanik
Gambar 2.8 Ball Mill
Gambar 2.9 Penampang Ball Mill
16 Pemisahan Mekanik
Tujuan Pembelajaran Umum
Mahasiswa mampu menjelaskan pemisahan bahan padat menurut besarnya
butiran (berdasarkan ukuran) denan menggunakan ayakan, neraca material
bahan dan efisiensi dari ayakan
Tujuan Pembelajaran Khusus
Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan pemisahan bahan padat menurut
besarnya butiran (berdasarkan ukuran) denan menggunakan ayakan, neraca
material bahan dan efisiensi dari ayakan
3.1 Pendahuluan
Setelah bahan atau bijih diremuk dan digerus, maka akan diperoleh bermacam-macam
ukuran partikel. Oleh sebab itu harus dilakukan pemisahan berdasarkan ukuran partikel
agar sesuai dengan ukuran yang dibutuhkan pada proses pengolahan yang berikutnya.
Pengayakan atau penyaringan adalah proses pemisahan secara mekanik berdasarkan
perbedaan ukuran partikel. Pengayakan (screening) dipakai dalam skala industri,
sedangkan penyaringan (sieving) dipakai untuk skala laboratorium.
Produk dari proses pengayakan/penyaringan ada 2 (dua), yaitu :
1. Ukuran lebih besar daripada ukuran lubang ayakan (oversize).
2. Ukuran yang lebih kecil daripada ukuran lubang ayakan (undersize).
Satu ayakan tunggal hanya dapat memisahkan menjadi dua fraksi saja setiap kali
pemisahan, yaitu yang lolos dari ayakan dan yang tertahan diatas ayakan.
Ayakan yang digunakan di industri dibuat dari anyaman kawat, sutera, plastik batangan-
batangan logam, plat logam yang berlobang-lobang, atau kawat-kawat yang
penampangnya berbentuk baji. Logam yang digunakanpun bermacam-macam, tetapi
pada umumnya dibuat dari baja atau stainless steel. Ayakan standar mempunyai ukuran
mesh yang berkisar antara 4 sampai 400 mesh, sedangkan ayakan dari logam yang
BAB III
PEMISAHAN BERDASARKAN UKURAN (SIZING)
17 Pemisahan Mekanik
digunakan secara komersial mempunyai lubang samapai 1 m. Ayakan yang lebih halus
dari 150 mesh jarang dipakai, karena untuk partikel yang sangat halus cara pemisahan
lain mungkin lebih ekonomis.
Pemisahan partikel yang ukurannya antara 4 mesh dan 48 mesh disebut pengayakan
halus, sedangkan untuk yang lebih halus disebut ultra halus
3.2 Neraca Massa Ayakan
Neraca massa ayakan sederhana dapat digambarkan sebagai berikut :
Feed (F) Produk Tertahan (D)
Fraksi Undersize(XF) Fraksi Undersize(XD)
Fraksi Oversize(1- XF) Fraksi Oversize(1-XD)
Produk Lolos (B)
Fraksi Undersize(XB)=1
Fraksi Oversize=(1-XB)=0
Neraca Massa Keseluruhan (Overall): F = D + B ( 1 )
Neraca Massa Fraksi Undesize: F XF = D XD + B XB ( 2 )
Neraca Massa Fraksi Oversize: F (1-XF) = D (1-XD) + B (1-XB) ( 3 )
Eliminasi dari persamaan ( 1 ) dan ( 2 ) :
=
=
( 4 )
Eliminasi dari persamaan ( 1 ) dan ( 2 ) :
=
=
( 5 )
Efisiensi Ayakan
Efisiensi Ayakan didifinisikan sebagai fraksi undersize umpan (Feed) yang benar-benar
lolos dibagi dengan fraksi undersize umpan(Feed) yang seharusnya lolos.
18 Pemisahan Mekanik
Fraksi undersize umpan (Feed) yang benar-benar lolos = fraksi undersize dalam produk
lolos ( B XB ). Fraksi undersize umpan (Feed) yang seharusnya lolos = F XF
=
= =
=
( 6 )
3.3 Analisa Ayak
Partikel zat padat secara individu dikarakteristikan dengan ukuran, bentuk, dan densitas.
Partikel zat padat homogen mempunyai densitas yang sama dengan bahan bongkahan.
Partikel-partikel yang didapatkan dengan memecahkan zat padat campuran, misalnya
bijih yang mengandung logam, mempunyai berbagai densitas. Untuk partikel yang
bentuknya beraturan, misalnya bentuk bola dan kubus, ukuran dan bentuknya dapat
dinyatakan dengan mudah. Tetapi partikel yang bentuknya tidak beraturan seperti
butiran atau serpihan, ukuran dan bentuknya tidak begitu jelas dan harus dijelaskan
secara acak.
Bentuk Partikel
Bentuk setiap partikel dikarakteristikan dengan sperisitas (sphericity) S, yang tidak
tergantung pada ukuran partikel. Untuk partikel bentuk bola dengan diameter, DP,
S =1, untuk partikel bukan bola didifinisikan oleh hubungan :
=
( 7 )
Dimana : DP = diameter ekivalen atau diameter nominal partikel
SP = luas permukaan satu partikel VP = volume satu partikel
Diameter ekivalen didifinisikan sebagai diameter bola yang volumenya sama dengan
volume partikel itu. Tetapi bahan-bahan berbentuk granular, volume maupun luas
permukaannya tidak mudah ditentukan secara eksak, sehingga DP biasanya diambil dari
ukuran nominal atas dasar analisa ayak. Luas permukaan diperoleh dari pengukuran
didalam hamparan partikel. Untuk kebanyakan bahan pecahan harga S antara 0,6-0,8,
untuk partikel yang telah membulat karena abrasi S bisa sampai 0,95.
19 Pemisahan Mekanik
Cara Menyajikan Analisa Ayak
Contoh menggunakan susunan 5 ayakan dengan ukuran lobang ayakan X1, X2, X3,
X4 dan X5 dalam mm dan mesh.
M1
X1 = 0,297 mm = 48 mesh
M2
X2 = 0,250 mm = 60 mesh
M3
X3 = 0,210 mm =65 mesh
M4
X4 = 0,177 mm = 80 mesh
M5
X5 = 0,149 mm = 100 mesh
M6
Pan M = M1 + M2 + M3 + M4 + M5 + M6
Gambar 3.1 Susunan perlalatan analisa ayak
Tabel 3.1 Cara Menyajikan Tabel Analisa Ayak Dalam Ukuran mm
Ukuran
mm
Berat
gram
%
Berat
%Lolos
Individu
%Lolos
Kumulatif
%Tertahan
Individu
%Tertahan
Kumulatif
+ 0,297 M1 Y1 - - Y1 Y1
-0,297+0,250 M2 Y2 Y2 Y2+Y3+Y4+Y5+Y6 Y2 Y1+Y2
-0,250+0,210 M3 Y3 Y3 Y3+Y4+Y5+Y6 Y3 Y1+Y2+Y3
-0,210+0,177 M4 Y4 Y4 Y4+Y5+Y6 Y4 Y1+Y2+Y3+Y4
-0,177+0,149 M5 Y5 Y5 Y5+Y6 Y5 Y1+Y2+Y3+Y4+Y5
-0,149 M6 Y6 Y6 Y6 - -
M 100%
20 Pemisahan Mekanik
Tabel 3.2 Cara Menyajikan Tabel Analisa Ayak Dalam Ukuran Mesh
Ukuran
Mesh
Berat
gram
%
Berat
%Lolos
Individu
%Lolos
Kumulatif
%Tertahan
Individu
%Tertahan
Kumulatif
+ 48 M1 Y1 - - Y1 Y1
-48+60 M2 Y2 Y2 Y2+Y3+Y4+Y5+Y6 Y2 Y1+Y2
-60+65 M3 Y3 Y3 yY3+Y4+Y5+Y6 Y3 Y1+Y2+Y3
-65+80 M4 Y4 Y4 Y4+Y5+Y6 Y4 Y1+Y2+Y3+Y4
-80+100 M5 Y5 Y5 Y5+Y6 Y5 Y1+Y2+Y3+Y4+Y5
-100 M6 Y6 Y6 Y6 - -
M 100%
Keterangan :
M = Berat total umpan ayakan
M1= Berat fraksi yang tertahan pada ukuran ayakan X1
M2 = Berat fraksi yang lolos ukuran ayakan X1 dan tertahan ukuran ayakan X2
M3 = Berat fraksi yang lolos ukuran ayakan X2 dan tertahan ukuran ayakan X3
M4 = Berat fraksi yang lolos ukuran ayakan X3 dan tertahan ukuran ayakan X4
M5 = Berat fraksi yang lolos ukuran ayakan X4 dan tertahan ukuran ayakan X5
M5 = Berat fraksi yang lolos ukuran ayakan X5
Ukuran yang digunakan untuk menentukan ukuran rata-rata partikel padat didunia
industri atau perdagangan dan juga untuk menghitung ukuran umpan dan produk dari
peralatan reduksi ukuran adalah ukuran 80% lolos dan ukuran 66,7% lolos. Artinya
kalau partikel padat diayak pada ukuran tersebut yang lolos jumlahnya 80% atau
66,7%., tetapi yang sering digunakan ukuran 80% lolos.
Grafik Hasil Analisa Ayak
1. Grafik %lolos kumulatif vs ukuran
2. Grafik %tertahan kumulatif vs ukuran
Misal : Y1 = 4% Y2= 8% Y3 = 15% Y4 =20% Y5=25% Y6 = 28%
21 Pemisahan Mekanik
Tabel 3.3 Hasil Analisa Ayak
Ukuran
mm
%Lolos
Individu
%Lolos
Kumulatif
%Tertahan
Individu
%Tertahan
Kumulatif
+ 0,297 4 - 4 4
-0,297+0,250 8 96 8 12
-0,250+0,210 15 88 15 27
-0,210+0,177 20 73 20 47
-0,177+0,149 25 53 25 72
-0,149 28 28 - -
Gambar 3.2 Grafik Analisa Ayak Ukuran vs %Lolos Kumulatif
0
20
40
60
80
100
120
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
%lo
los
kum
ula
tif
Ukuran Ayakan (mm)
Y-Values
22 Pemisahan Mekanik
Gambar 3.3 Grafik Analisa Ayak Ukuran vs %Tertahan Kumulatif
Dari grafik Analisa Ayak Ukuran 80%Lolos = 0,225 mm
Contoh Soal Gabungan Grinding Dan Sizing
Material Hematit dengan indek kerja 12,68 kWh/Ton dengan laju umpan 100 Ton/jam
di reduksi ukurannya dengan Ball Mill dilanjutkan dengan pengayakan seperti pada
diagram dibawah ini :
Fresh Feed Feed Ball Mill Produk Ball Mill
(FF) (F) (PB)
Recycle(R) Ayakan
Produk Ayakan (PA)
Data Hasil Analisa Ayak dari Feed (F) dan Produk Ball Mill adalah sebagai berikut :
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
% T
ert
ahan
Ku
mu
lati
f
Ukuran Ayakan (mm)
Y-Values
23 Pemisahan Mekanik
Tabel 3.4 Hasil Analisa Ayak Feed Dan Produk
Ukuran
(mm)
Feed
(%)
Produk
(%)
+ 2 10 0
- 2 + 1 30 20
-1 + 0,5 40 10
- 0,5 20 70
a. Berapa Energi (E) dan Daya (P) yang dibutuhkan ?
b. Hitung berapa besar Produk Ayakan (PA), Recycle (R) dan Fresh Feed (FF) bila
Produk Ball Mill diayak pada ukuran lubang ayakan 1 mm dan efisiensi ayakan
75%?
Penyelesaian :
Tabel 3.5 Analisa Ayak Feed
Ukuran
(mm)
(%)
Berat
% Lolos
Individu
% Lolos
Kumulatif
+ 2 10 - -
- 2 + 1 30 30 90
-1 + 0,5 40 40 60
- 0,5 20 20 20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0,5 1 1,5 2 2,5
%lo
los
kum
ula
tif
Ukuran (mm)
Y-Values
24 Pemisahan Mekanik
Gambar 3.4 Grafik Hasil Analisa Ayak Feed
Dari grafik ukuran Feed 80% lolos =XP = 1,6 mm = 1600m
Gambar 3.5 Grafik Hasil Analisa Ayak Feed
Dari grafik ukuran Produk 80% lolos =XP = 1 mm = 1000m
Ei = 12,68 kWh/Ton T = 100 Ton/jam
a.
= =
= = (, )
= = ,
0
20
40
60
80
100
120
0 0,5 1 1,5 2 2,5
% L
olo
s K
um
ula
tif
Ukuran (mm)
Y-Values
25 Pemisahan Mekanik
Daya, P (kW)
= =
,
=
b. Produk Ball Mill diayak pada ukuran 1 mm dengan efisiensi ayakan 75%.
Klasifikasi Produk Ball Mill pada ukuran 1 mm
+1 mm = 20% = 20 Ton/jam
-1 mm = 80% = 80 Ton/jam
Produk Ball Mill sebagai Umpan Ayakan
Undersize dalam Umpan(-1mm) = 80 Ton/jam
=
%
Produk Ayakan=Undersize dalam Produk lolos
Produk Ayakan = PA= 75% x 80 =60 Ton/jam
Recycle = (-1mm dari umpan yang tidak lolos)+ (+1mm dari umpan)
Klasifikasi Recycle pada ukuran 1 mm :
-1mm = 80 60 = 20 Ton/jam
+1mm = 20 Ton/jam
Recycle = R = (80-60) + 20 = 40 Ton/jam
Klasifikasi Feed Ball Mill pada ukuran 1 mm
+1 mm = 60% = 60 Ton/jam
-1 mm = 40% = 40 Ton/jam
Fresh Feed (FF) = Feed (F) Recycle (R) = 100 40 = 60 Ton/jam
Atau
Fresh Feed = Produk Ayakan = 60 Ton/jam
Klasifikasi Fresh Feed pada ukuran 1 mm
-1mm = (-1mm dari Feed) (-1mm dari Recycle) = 40 20 = 20 Ton/jam
26 Pemisahan Mekanik
+1mm = (+1mm dari Feed) (+1mm dari Recycle) = 60 20 = 40 Ton/jam
3.4 Peralatan Ayak
Ada berbagai macam ayakan yang digunakan untuk berbagai tujuan tertentu, tetapi
hanya beberapa jenis saja yang akan dibahas disini. Pada kebanyakan ayakan, partikel-
partikel itu jatuh melalui bukaan(lobang) dengan gaya gravitasi, dalam beberapa
rancangan tertentu partikel didorong melalui ayakan dengan sikat atau dengan gaya
sentrifugal. Partikel-partikel kasar jatuh dengan mudah melalui lobang besar didalam
permukaan stasioner, tetapi partikel-partikel halus digetarkan dengan vibrator atau
diayunkan melingkar dengan girasi secara mekanik atau elektrik.
Jenis Peralatan Ayakan
1. Ayakan skala laboratorium (Sieve)
1. Hand sieve
2. Vibrating sieve series / Tyler vibrating sive
3. Sieve shaker / rotap
4. Wet and dry sieving
2. Ayakan skala industri (Screen)
1. Stationary grizzly
2. Roll grizzly
3. Sieve bend
4. Revolving screen
5. Vibrating screen (single deck, double deck, triple deck, etc.)
6. Shaking screen
7. Rotary shifter
Ayakan Stasioner Grizzly
Adalah ayakan yang dibuat dari batangan-batangan logam sejajar yang dipasang pada
rangka stasioner yang miring. Kemiringan dan lintasan bahan itu sejajar dengan panjang
batangan. Umpan kasar yang keluar dari pemecah primer, masuk pada ujung atas kisi.
Bongkah-bongkah besar akan menggelinding atau meluncur menuju pengeluaran
dibagian ekor dan bongkah-bongkah kecil jatuh kebawah menuju kolektor. Jarak antara
batangan sekitar 2-8 in.
Ayakan Girasi.
27 Pemisahan Mekanik
Hampir semua ayakan menghasilkan fraksi-fraksi berukuran kasar dan halus, yang kasar
dikel;uarkan dahulu dan yang halus kemudian. Cara ini dapat dilihat dari ayakan datar
girasi (gyrating flat screen). Alat ini terdiri dari beberapa tingkat ayakan. Ayakan
paling kasar ditempatkan paling atas, sedangkan yang paling halus paling bawah.
Campuran partikel dijatuhkan pada ayakan teratas dan diayunkan melingkar dengan
girasi untuk mendistribusikan partikel melalui lobang ayakan.
Ayakan Vibrasi
Ayakan ini digetarkan dengan cepat dengan amplitude kecil lebih sulit membuka lobang
daripada ayakan girasi. Vibrasi dapat digerakkan secara mekanik dan elektrik. mekanik
ditransmisikan dari eksentrik berkecepatan tinggi ke ayakan
Berikut ini gambar beberapa jenis ayakan yang sering digunakan dalam industri kecil
ataupun industri besar.
Gambar 3.1 Ayakan Grizzly Gambar 3.3 Ayakan Vibrasi
Gambar 3.2 Ayakan Girasi Gambar 3.4 Sieve Ben
28 Pemisahan Mekanik
Gambar 3.5 Sieve Shaker
29 Pemisahan Mekanik
Tujuan Pembelajaran Umum
1. Mahasiswa mampu menjelaskan pemisahan partikel dalam fluida menjadi fraksi
masing-masing, berdasarkan kecepatan pengendapan (kecepatan terminal) dengan
proses sedimentasi.
2. Mahasiswa mampu menjelaskan pemisahan campuran partikel padat dengan
menggunakan fluida menjadi fraksi-fraksi murni dan campuran berdasarkan
perbedaan kecepatan pengendapan (kecepatan terminal) dengan proses sedimentasi.
Tujuan Pembelajaran Khusus
1. Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan pemisahan partikel dalam fluida
menjadi fraksi masing-masing, berdasarkan kecepatan pengendapan (kecepatan
terminal) dengan proses sedimentasi.
2. Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan pemisahan campuran partikel padat
dengan menggunakan fluida menjadi fraksi-fraksi murni dan campuran
berdasarkan perbedaan kecepatan pengendapan (kecepatan terminal) dengan proses
sedimentasi.
4.1 Pendahuluan
Sedimentasi adalah suatu proses pemisahan solid-liquid menggunakan pengendapan
secara gravitasi untuk mimisahkan zat padat (suspended solid) atau tersuspensi non
koloidal dalam fluida (fluida yang biasa digunakan air). Cara yang sederhana adalah
dengan membiarkan padatan mengendap dengan sendirinya. Setelah partikel-partikel
mengendap, maka air yang jernih dapat dipisahkan dari padatan yang semula
tersuspensi di dalamnya. Cara lain yang lebih cepat dengan melewatkan air pada sebuah
bak dengan kecepatan tertentu sehingga padatan terpisah dari aliran air tersebut dan
jatuh ke dalam bak pengendap. Kecepatan pengendapan partikel yang terdapat di air
tergantung pada berat jenis, bentuk dan ukuran partikel, viskositas air dan kecepatan
aliran dalam bak pengendap. Pada dasarnya terdapat dua jenis alat sedimentasi yaitu
jenis rectangular dan jenis circular. Proses sedimentasi dapat dikelompokkan dalam tiga
klasifikasi, bergantung dari sifat padatan di dalam suspensi:
BAB IV
SEDIMENTASI
30 Pemisahan Mekanik
1. Discrete (free settling)
Kecepatan pengendapan dari partikel-partikel discrete adalah dipegaruhi oleh gravitasi
dan gaya geser yang didifinisikan sebagai Homogenizer Equalizer Settler.
2. Flocculant
Kecepatan pengadukan dari partikel-partikel meningkat, setelah adanya penggabungan
diantara partikel-partikel
3. Hindered/Zone settling
Kecepatan pengendapan dari partikel-partikel di dalam suspensi dengan konsentrasi
padatan melebihi 500 mg/l.
Pada umumnya sedimentasi digunakan pada pengolahan air minum, pengolahan air
limbah, dan pada pengolahan bahan galian dari hasil penambangan. Pada pengolahan air
minum proses sedimetasi khususnya digunakan untuk:
1. Pengendapan air permukaan, untuk pengolahan dengan saringan pasir.
2. Pengendapan flok hasil koagulasi/flokulasi, khususnya sebelum disaring dengan
saringan pasir.
3. Pengendapan flok hasil penurunan kesadahan menggunakan soda-kapur.
4. Pengendapan lumpur pada pemisahan besi dan mangan.
Pada pengolahan air limbah, proses sedimentasi digunakan :
1. Pemisahan grit, pasir atau silt.
2. Pemisahan padatan pada clarifier yang pertama.
3. Pemisahan flok/lumpur biologi hasil proses activated sludge, pada clarifier
akhir.
4. Pemisahan humus pada clarifier akhir setelah trickling filter.
Pada pengolahan bahan galian hasil penambangan , proses sedimentasi digunakan pada
pengolahan bijih logam (ores) untuk memisahkan konsentrat logam (mineral) dari
pengotornya. Prinsip proses sedimentasi pada pengolahan air minum, pengolahan air
limbah, dan pengolahan bahan galian adalah sama, begitu juga metode dan
peralatannya. Bak sedimentasi pada umumnya dibangun dari bahan beton bertulang
dengan bentuk lingkaran, bujur sangkar, atau segi empat. Bak berbentuk lingkaran
umumnya berdiameter 10,7-45,7 meter dengan kedalamannya 3-4,3 meter. Bak
berbentuk bujur sangkar pada umumnya mempunyai panjang sisi 10-70 meter dengan
kedalaman 1,5-6 meter. Bak berbentuk segi empat pada umumnya mempunyai panjang
sampai 76 m dan lebarnya 1,5-6 meter dengan kedalaman 1,8 meter.
4.2 Proses Pengendapan Berdasarkan Gerakan Partikel Melalui Fluida
31 Pemisahan Mekanik
Banyak metode separasi mekanik yang didasarkan atas gerakan partikel zat padat atau
tetesan zat cair melalui fluida. Fluida dapat berbentuk gas atau zat cair dan dapat berada
dalam keadaan mengalir atau keadaan diam. Dalam beberapa situasi, tujuan proses itu
untuk memisahkan partikel dari arus fluida atau untuk memisahkan pengotor yang
terdapat di dalam fluida atau untuk memisahkan partikel, sebagaimana dalam
pembersihan udara atau gas buang terhadap debu dan uap racun dari air limbah.Dalam
kondisi tertentu, partikel itu sengaja disuspensikan di dalam fluida supaya dapat
dipisahkan fraksi-fraksi yang berbeda ukuran atau densitasnya, kemudian fluida
dibersihkan, untuk digunakan kembali, dari partikel yang telah difraksinasi.Prinsip
mekanika-partikel yang mendasari operasi ini ialah jika partikel itu mulai dari keadaan
diam terhadap fluida tempat partikel itu terendam, lalu bergerak melalui fluida itu
karena gaya-gaya luar, gerakan itu dapat dibagi menjadi dua tahap.
Tahap pertama merupakan satu periode singkat di mana terjadi percepatan,
kecepatan meningkat dari nol sampai kecepatan terminal.
Tahap kedua ialah periode di mana partikel itu berada dalam kecepatan
terminalnya.
Oleh karena periode percepatan awal itu singkat saja, biasanya per puluhan detik saja
atau kurang, pengaruh percepatan awal itu pendek pula. Kecepatan terminal, di lain
pihak, dapat dipertahankan selama partikel masih mengalami perlakuan di dalam alat.
Metode yang paling lazim, hanya menggunakan periode kecepatan terminal saja.
Gaya-gaya yang bekerja pada partikel:
a. Gaya gravitasi, = ( 1 )
b. Gaya tekan keatas fluida (Bouyant Force), =
( 2 )
c. Gaya gesek (Drag Force), =
( 3 )
Dimana: m = massa partikel = densitas fluida
p = densitas partikel v = kecepatan pengendapan linier
A = luas proyeksi partikel CD = koefisien gesek
Partikel
Fb FD
32 Pemisahan Mekanik
Fg
Gambar 4.1 Pergerakan partikel dalam fluida
= = =
( 4 )
=
( 5 )
Pada kecepatan terminal, vt
=
= =
=
=
=
=
( 6 )
Untuk partikel bentuk bola :
=
=
=
=
( 7 )
Bilangan Reynold NRe,P Untuk Gerakan Partikel Dalam Fluida
, =
( 8 )
Dimana: Dp= diameter partikel = viskositas fluida
Harga Bilangan Reynold, NRe,p Untuk Daerah (Zone) pengendapan :
Daerah Laminer NRe,p < 1
Daerah Transisi 1 > NRe,p < 1000
Daerah Turbulen NRe,p > 1000 >200000
33 Pemisahan Mekanik
Pengendapan Di Daerah Laminer
Untuk pengendapan didaerah laminar, maka koefisien gesek, CD ,
=
( 9 )
=
=
=
=
=
()
=
()
( 10 )
Untuk Pengendapan Di Daerah Turbulen, CD = 0,44, maka:
=
=
(,)
= ,
= ,
( 11 )
Contoh Soal-1
Tetesan minyak bentuk bola dengan diameter (Dp) 20m (2x10-5
m) berada dalam udara.
Densitas minyak (p) 900 kg/m3. Pada temperatur 37,8
oC dan tekanan 101,3 kPa
densitas udara () 1,137 kg/m3 dan viskositasnya () 1,9x10-5Pa.s g =10 m/s2
Berapa kecepatan terminal (vt) tetesan minyak tersebut dalam udara ?
Penyelesaian:
DP = 2x10-5
m p = 900 kg/m3 = 1,137 kg/m3 = 1,9x10
-5Pa.s g = 10 m/s
2
Metode-1 : Menggunakan asumsi pengendapan di daerah laminar, maka :
=
()
=
()(,)
,= , /
Cek, NRe,p
34 Pemisahan Mekanik
, =
=
, (, )
, = , < 1 ( )
Metode-2 : Dengan menggunakan grafik CD vs NRe
=
=
()() ,
(,)
=,
( 12 )
, =
=
(, )
,
, = ,
( 13 )
Trial-1, vt = 1 m/s =,
=
,
= ,
, = , = , = ,
Koordinat-1 (NRe,p , CD) = (1,2 , 0,2108)
Trial-2, vt = 0,1 m/s =,
=
,
,= ,
, = , = , , = ,
Koordinat-2 (NRe,p , CD) = (0,12 , 21,08)
Koordinat-1 dan Koordinat-2 di plot pada grafik CD vs NRe dalam skala
logaritma
35 Pemisahan Mekanik
100000 Titik Potong
CD vs NRe
10000
CD
1000
(0,12 , 21,08)
100
24
10 (1,2 , 0,2108)
1
0,44
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000
NRe =0,012 NRe
Gambar 4.2 Penyelesaian contoh-1 dengan metode grafik CD vs NRe
Dari grafik CD vs NRe didapat NRe = 0,012 =
,=
,
,= , /
4.3 Hindered Settling
Untuk aliran hindered settling, kecepatan pengendapan lebih kecil dari perhitungan
dari persamaan hukum Stokes. Gaya gesek partikel terhadap fluida menjadi lebih
besar, karena fluidanya berupa suspensi. Viskositas suspensi menjadi lebih besar,
karena merupakan campuran liquid dan padatan dengan viskositas m. Besarnya
viskositas campuran sama dengan viskositas liquid dibagi dengan faktor koreksi, P.
=
( 14 )
36 Pemisahan Mekanik
Dimana : P = faktor koreksi viskositas yang tidak berdimensi:
=
,() ( 15 )
Densitas fasa fluida yang merupakan suspense (slurry),m menjadi :
= + ( ) ( 16 )
Perbedaan densitas partikel dan fluida menjadi :
= [ + ( )] = ( ) ( 17 )
Kecepatan terminal, vt sesui dengan hokum Stokes menjadi :
=
()
=
()
/=
() ( 18 )
Bilangan Reynold, NRe,p menjadi :
, =
=
() =
( 19 )
Contoh-2
Hitung kecepatan terminal dari bola gelas dengan diameter 1,554x10-4
m dalam air pada
temperature 20oC. Slurry mengandung 60% berat padatan. Densitas gelas, P =2467
kg/m3.
Penyelesaian:
Densitas air = = 998 kg/m3, viskositas air = = 1 x 10-3 Pa.s
Fraksi volume dari liquid:
=/
+
= ,
Densitas slurry, m:
= + = , + , = /
37 Pemisahan Mekanik
=
,()=
,()= ,
Asumsi pengendapan didaerah laminar, NRep< 1
=
= ,
() , )(, = , /
, =
=
/ =
(,) , ()
(/,)(,)= ,
(Asumsi benar)
4.4 Perbedaan Kecepatan Pengendapan (Differensial Settling Velocity) Dan
Pemisahan Padatan Dengan Klasifikasi
Bila campuran partikel A dan B dengan densitas PA dan PB dan ukuran Dp1 Dp4
berada dalam fluida dengan densitas , maka :
Partikel yang mempunyai kecepatan pengendapan paling besar akan mengendap
lebih dahulu
Partikel yang mempunyai kecepatan pengendapan yang sama akan mengendap
bersama-sama
Partikel yang mempunyai kecepatan pengendapan paling kecil akan mengendap
paling akhir
38 Pemisahan Mekanik
Bila PA > PB , maka dapat digambarkan dalam grafik hubungan antara ukuran partikel
( Dp) dan kecepatan pengendapan (Vt) sebagai berikut :
VtA4 A VtA3=VtB4 B Vt VtA2
VtA1=VtB2
Dp1 Dp2 Dp3 Dp4 Dp
Gambar 4.3 Pengendapan dan pemisahan dari material A dan B
Partikel A murni akan dipisahkan pada ukuran Dp3 - Dp4 (DpA3 - DpA4)
(Partikel A ukuran Dp3 - Dp4 kecepatan pengendapannya paling besar)
Partikel A dengan ukuran Dp1-Dp3 dan partikel B dengan ukuran Dp2-Dp4 akan
mengendap bersama-sama (Kecepatan pengendapannya sama, VtA1=VtB2 dan
VtA3=VtB4 )
Partikel B murni akan dipisahkan pada ukuran Dp1 Dp2 (DpB1 DpB2)
(Partikel B ukuran Dp1 Dp2 kecepatan pengendapannya paling kecil)
Untuk partikel A dan B yang mempunyai kecepatan pengendapan yang sama (VtA1 =
VtB2 dan VtA3 = VtB4 ), maka :
Untuk partikel bentuk bola di daerah laminar (didaerah Hukum Stokes), berlaku VtA1 =
VtB2, maka :
39 Pemisahan Mekanik
=
()
=
()
VtA1 = VtB2
()
=
()
=
=
/
( 20
=
()
=
()
VtA3 = VtB4
()
=
()
=
=
/
( 21 )
Untuk partikel bentuk bola di daerah turbulen (didaerah Newtonian)
=
=
VtA1 = VtB2
=
= = , , maka :
=
=
( 22 )
=
=
VtA3 = VtB4
=
= = , , maka :
=
=
( 23 )
40 Pemisahan Mekanik
Contoh-3: Pengendapaan di daerah laminer, NRe
41 Pemisahan Mekanik
1. Galena (A) murni dipisahkan pada ukuran Dp3-Dp4=1,26x10-5
m-2,5x10-5
m
2. Campuran Galena(A) dan Silika(B) akan dipisahkan pada ukuran:
Galena(A) pada ukuran Dp1-Dp3=5,2x10-6
m-1,26x10-5
m
Silika(B) pada ukuran Dp2-Dp4=1,03x10-5
m-2,5x10-5
m
3. Silika(B) murni dipisahkan pada ukuran Dp1-Dp2=5,2x10-6
m-2,5x10-5
m
Contoh-4: Pengendapaan di daerah laminar dan transisi
Campuran bijih Galena dan Silika dengan ukuran 6 x 10-5
m 8 x 10-4 m akan
dipisahkan dengan Hydroclassifier. Densitas Galena 7500 kg/m3, densitas Silika 2650
kg/m3. Densitas air 1000 kg/m
3 dan viskositasnya 10
-3 Pa. s. Percepatan gravitasi ( g )
= 10 m/s2. Pada ukuran berapa Galena dan Silika dipisahkan ?
Penyelesaian :
Ukuran Galena Dan Silika :
Ukuran terkecil : Dp1 = 6 x 10-5
m. Ukuran terbesar : Dp4 = 8 x 10-4
m
Densitas Galena = pA = 7.500 kg/m3 Densitas Silika = pB= 2.650 kg/m3 Densitas Air = = 1.000 kg/m3 Viskositas Air = = 1 cp = 10-3 Pa. s g = 10 m/s2
Asumsi Partikel B dengan ukuran Dp4 mengendap didaerah laminer, maka :
DpB4 = Dp4 = 8 x 10-4
m
=
( )
=
( (. . )
()= , /
Cek : NRe,p , =
=
() , (.)
= > ( )
Menghitung Dp2 :
Asumsi partikel A dengan ukuran Dp1 mengendap didaerah laminer, maka :
DpA1 = Dp1 = 6 x 10-5
m
=
()
=
()(..)
()= , /
Cek : NRe,p , =
=
() , (.)
= , < 1 ( )
=
=
.
=
..
.. .
DpB2 = Dp2 = 1,19 x 10-4
m
Menghitung Dp3 :
= ()
=
() ()()
()=
,
=,
( 24 )
42 Pemisahan Mekanik
Bilangan Reynold partikel B ukuran Dp4, NRe,p :
, =
=
()()
= ( 25 )
= , / =,
=
,
,= ,
, = = , =
Didapat koordinat-1 : ( NRe,p , CDB4)=(80 , 1,76)
= / =,
=
,
= ,
, = = =
Didapat koordinat-2 : ( NRe,p , CDB4)=(800 , 0,0176)
Koordinat-1 dan koordinat-2 di plot pada grafik skala logaritma : NRe vs CD
10000
CD vs NRe
1000
CD
100
24 (80, 1,76)
10 Titik Potong
1
(800 , 0,0176)
0,44
0,1
0,01
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000
NRe NRe = 140
Gambar 4.4 Penyelesaian contoh-4 dengan metode grafik CD vs NRe
43 Pemisahan Mekanik
Dari grafik CD vs NRe didapat NRe = 140 CD = 0,6
, = = =
= , /
=,
= , =
,
, ,
= , = , maka :
= ()
= , , =
() ()
()
= ( 26 )
, =
=
, ()
= ( 27 )
Trial-1: DPA3= 1x10-4m = =
= ,
, = = ( = ,
Didapat koordinat-1 : ( NRe,p , CDB4)=(17,5 , 0,283)
Trial-2: DPA3= 5x10-4m = =
= ,
, = = ( = ,
Didapat koordinat-2 : ( NRe,p , CDB4)=(87,5 1,415)
44 Pemisahan Mekanik
Koordinat-1 dan Koordinat-2 di plot pada grafik NRe vs CD
10000
CD vs NRe
1000
CD
100
24 (87,5 , 1,415)
10 Titik Potong
1
(17,5 , 0,283)
0,44
0,1
0,01
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000
NRe NRe = 55,7
Gambar 4.5 Penyelesaian contoh-5 dengan metode grafik CD vs NRe
, = = , = =,
= ,
= = , = =,
= ,
1. Galena (A) murni dipisahkan pada ukuran Dp3-Dp4=1,26x10-5
m-2,5x10-5
m
2. Campuran Galena(A) dan Silika(B) akan dipisahkan pada ukuran:
Galena(A) pada ukuran Dp1-Dp3=5,2x10-6
m-1,26x10-5
m
Silika(B) pada ukuran Dp2-Dp4=1,03x10-5
m-2,5x10-5
m
45 Pemisahan Mekanik
3. Silika(B) murni dipisahkan pada ukuran Dp1-Dp2=5,2x10-6
m-2,5x10-5
4.5 Sedimentasi Kontinyu
Pada proses sedimentasi kontinyu waktu detensi (t) adalah sebesar volume basin (V)
dibagi dengan laju alir (Q).
=
( 28 )
Overflow rate (Vo) menggambarkan besarnya kecepatan pengendapan adalah fungsi
dari laju alir (Q) dibagi dengan luas permukaan basin (Ap).
=
( 29 )
Laju linier (V0) mengambarkan besarnya kecepatan horizontal adalah fungsi dari laju
alir (Q) dibagi dengan luas area tegak lurus aliran.
Ketinggian tangki sedimentasi (H) adalah besarnya kecepatan pengendapan Overlow
rate (V0) dikalikan waktu detensi (t).
= ( 30 )
4.6 Sedimentasi Batch
Mekanisme Sedimentasi Dengan Gaya Gravitasi.
Cara yang sederhana adalah dengan membiarkan padatan mengendap dengan
sendirinya. Setelah partikel-partikel mengendap, maka air yang jernih dapat dipisahkan
dari padatan yang semula tersuspensi di dalamnya.
Bila suatu dilute slurry diendapkan dengan gaya gravitasi menjadi cairan bening dan
sedimen (endapan) dengan konsentrasi yang tinggi, prosesnya disebut sedimentasi.
Metode untuk menentukan settling velocity dan mekanisme settling, digunakan batch
settling test menggunakan slurry dengan konsentrasi homogen dalam tabung silinder.
Seperti yang terlihat pada gambar berikut :
46 Pemisahan Mekanik
B A z0
Constant rate
B A
z z
z C
C zi
D z D z1
t t1
(a) (b) (c) (d)
Gambar 4.6 : Mekanisme dan hasil sedimentasi secara batch
(a) Suspensi homogen awal (original)
(b) Zone pengendapan setelah beberapa waktu
(c) Pemadatan zone D setelah zone B dan C tidak muncul, berubah menjadi cairan
bening dan padatan
(d) Kurva/grafik tinggi antar permukaan cairan bening (z) vs waktu pengendapan (t)
Pada saat awal dalam tabung silinder terdiri suspensi zone B yang homogen dengan
konsentrasi co (gambar-1a). Partikel dalam zone B mulai mengendap dengan laju
homogen dan muncul cairan bening zone A (gambar-1b). Penurunan tinggi z konstan.
Zone D mulai muncul. Setelah beberapa waktu zone B makin berkurang, diatas zone B
cairan bening zone A makin bertambah, dibawah zone B muncul zone lapisan transisi
C (zone antara B dan D) dan zone D makin bertambah. Setelah pengendapan berakhir
zone B dan C tidak muncul lagi (gambar-1c). Terjadi pemadatan zone D dengan
ketebalan zone D dan tinggi cairan bening zone A makin bertambah.
Perhitungan Kecepatan Terminal (Settling Velocity)
Pada gambar.4-6 d adalah grafik/kurve tinggi cairan bening antar permukaan (z) di plot
terhadap waktu pengendapan (t). Ditunjukkan bahwa settling velocity, dimana slope
47 Pemisahan Mekanik
dari garis, pertama konstan, sampai pada titik kritis C. Settling velocity dihitung dari
gambar koefisien arah dari garis singgung pada gambar-d, pada saat t1, maka :
= ( 31 )
Pada titik dengan tinggi z1 dan zi intersep dari garis singgung kurve :
=
( 32 )
Konsentrasi c1 adalah konsentrasi rata-rata suspensi pada tinggi slurry zi , dapat
dihitung dari :
c1 zi = c0z0 atau =
( 33 )
Dimana : c0 = konsentrasi awal slurry kg/m3
dan z0 tinggi awal slury (pada t = 0).
4.7 Peralatan Sedimentasi Dengan Gravitasi
a. Alat Pemisah Debu Dan Udara (gambar 4.7)
b. Bak Klasifikasi Dengan Pengendapan Sederhana Secara Gravitasi ( Classifier )
(gambar 4.8)
c. Bak Pengendapan Spitzkasten (gambar 4.9)
d. Tangki Pemisahan Dengan Pengendapan Gravitasi Liquid - Liquid ( Liquid
Liquid Coalescer Settler ) (gambar 4.10)
e. Tikener (gambar 4.11)
48 Pemisahan Mekanik
Gambar 4.7 Alat Pemisah Debu Dan Udara
Gambar 4.8 Bak Klasifikasi Dengan Pengendapan Sederhana Secara Gravitasi
Gambar 4.9 Bak Pengendapan Spitzkasten
49 Pemisahan Mekanik
Gambar 4.10 Tangki Pemisahan Dengan Pengendapan Gravitasi Liquid - Liqui
Gambar 4.11 Tikener
50 Pemisahan Mekanik
Tujuan Pembelajaran Umum
Mahasiswa mampu menjelaskan definisi filtrasi, jenis-jenis dan perolehan filtasi
dan perhitungannya
Tujuan Pembelajaran Khusus
Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan definisi filtrasi, jenis-jenis dan
perolehan filtasi dan perhitungannya
5.1 Pendahuluan
Filtrasi atau penyaringan adalah pemisahan partikel zat padat dari fluida (cair atau gas)
dengan mengalirkan campuran padat fluida (slurry) melalui suatu medium penyaring
yang berlangsung akibat adanya gaya dorong ( driving force) sehingga dihasilkan zat
padat, filtrat atau keduanya (filtrat dan padatan).Dalam industri, proses filtrasi dapat
memisahkan partikel atau padatan dari ukuran partikel yang sangat kecil dalam m
sampai ukuran partikel yang cukup besar dalam mm.Slurry yang mengalir melalui
medium filter karena adanya gaya dorong antara lain akibat perbedaan tekanan yang
melintasi medium tersebut. Oleh karena itu filter dibagi atas filter yang beroperasi pada
tekanan yang lebih tinggi dari atmmosfir di bagian hulu dan pada tekanan atmosfir yang
beroperasi dibagian hilir atau beroperasi pada tekanan atmosfir dibagian hulu, sedang
dibagian hilir pada tekanan vakum.
Penggunaan proses filtrasi di Industri.
Proses filtrasi untuk industri proses antara lain:
- Industri kertas yaitu untuk proses penyaringan pulp.
- Industry pengolahan air
- Industry kimia a.l: NaOH,
BAB V
FILTRASI
51 Pemisahan Mekanik
Jenis jenis Proses Filtrasi.
.
Proses filtrasi dapat dikelompokkan berdasarkan beberapa criteria.
Proses filtrasi berdasar jumlah padatan dalam slurry dapat dikelompokkan menjadi dua
golongan yaitu filter klarifikasi (clarifying filter) dan filter ampas (cake filter ).
a. Filter klarififikasi digunakan untuk memisahkan zat padat yang kuantitasnya
kecil dan menghasilkan zat cair atau zat gas yang bersih. Filter klarifikasi juga
dikenal sebagi filter hamparan tebal ( deep bed filter), karena partikel zat padat
diperangkap di dalam medium filter dan umumnya tidak ada lapisan zat padat
yang terlihat di permukaan medium filter. Filter klarifikasi untuk zat cair
digunakan untuk pembersihan air dan menggunakan jenis filter kertus (
cartridge) yang berisi elemen filter,yang merupakan sederetan piring logam tipis
dengan diameter antara 3 sampai 10 in tersusun secara vertical dengan jarak
pisah yang sempit satu sama lain. Piring yang tersusun tersebut mempunyai
poros berlubang vertical dan terpasang dalam tabung berbentuk silinder. Zat cair
terkumpul pada bagian atas melalui poros berlubang tersebut sedang padatan
yang terpisah terperangkap diantara piring-piring di dalam filter kertus. Filter
klarifikasi untuk memisahkan campuran berupa koloid menggunakan Ultra filter
dengan membrane yang halus.
b. Filter ampas digunakan untuk memisahkan campuran padatan cair (slurry)
dengan padatan yang cukup banyak sehingga membentuk ampas dan berfungsi
sebagai penyarinng. Pada awal proses padatan tertahan oleh mediumfilter dan
untuk selanjutnya ampas berfungsi sebagai tahanan ampas yang besarnya
bergantung pada jumlah ampas yang terbentuk.
5.2 Dasar Teori Filtrasi
Penurunan tekanan fluida melalui filter ampas (cake filter), perhatikan gambar berikut :
Medium filter
Slurry Filtrat V m3/s
Cs Kg/m3
dL
52 Pemisahan Mekanik
L
Gambar 5.1 Penampang irisan aliran slurry melalui filter
Gambar di atas merupakan penampang / irisan aliran slurry yang melalui filter ampas
dan medium filter dengan luas permukaan A m2, selama waktu t(detik). Selama proses
filtrasi dari awal sampai diperoleh filtrat pada t detik tersebut diperoleh:
- tebal ampas L (m , ft)
- volume filtrat V (m3,ft
3)
Dengan kecepatan linear filtrat sepanjang arah (yang melalui tebal ampas) tersebut :
(m/dt ,ft/s) Aliran filtrat yang melalui hamparan ampas dapat digambarkan
(dianalogikan)aliran fluida mengikuti hukum Poiseuile, dengan asumsi terjadi aliran
laminer dalam suatu tabung.
Persamaan Poiseuile untuk aliran laminer dalam tabung lurus adalah sebagai berikut:
=
(SI unit) ( 1 )
=
(British unit)
P : penurunan tekanan N/m2 (lbt / ft2)
: kecepatan linear dalam tabung terbuka m/dt (ft/s)
D : diameter tabung m (ft)
L : panjang / tebal ampas yg terbentuk selama filtrasi m (ft)
: viscositas larutan Pa/s kg/m.dt (lbm/ft.s)
gc : konstanta gravitasi 32,174 lbm ft/lbf. s2
Persamaan tahanan dalam hamparan partikel menurut Kozeny :
=
( )
Untuk aliran laminer dalam hamparan partikel (cake) dapat ditunjukkan hubungan dari
persamaan 1 dan persamaan Kozeny yang dapat digunakan untuk proses-proses filtrasi
dan dituliskan sebagai berikut:
=
()
( 2 )
k1 = konstanta = untuk partikel secara acak yang dapat diukur dari ukuran dan bentuk
partikel
= viskositas filtrat kg/m.dt (lbm/ft.s)
= kecepatan linear yang melalui luas permukaan filter m/dt (ft/s)
= porositas cake
53 Pemisahan Mekanik
L = tebal cake m (ft)
So = luas permukaan spesifik partikel per volume partikel padatan Sp/Vp
Pc = penurunan tekanan dalam ampas N/m2 ( lbf/ ft
2)
Untuk satuan British : persamaan (2) sebelah kanan dibagi dengan gc
Pengukuran kecepatan linear yang didasarkan pada luas penampang tanpa cake
/hamparan adalah sebagai berikut:
=/
( 3 )
A = luas filter m2 (ft
2)
V = volume total filtrat m3 (ft
3) selama t detik.
Hubungan volume(V) ,massa (m) dan ketebalan cake (L) merupakan neraca
massa.
Neraca massa dapat dituliskan sebagai berikut :
L . A ( 1 - ) p = Cs (V + LA) ( 4 )
Cs = banyaknya padatan dalam filtrat
= kg solid / m3
filtrat ( lb / ft3 )
p = density partikel padat dalam cake kg /m3 (lb / ft
3 )
Substitusi persamaan 4 untuk mengeliminasi L dengan persamaan (3) dan persamaan
(2) , maka diperoleh :
.=
( )
=
( 5 )
= tahanan ampas spesifik m/kg (ft/ lb m)
= k (1 - ) So2 / 3 p ( 6 )
Untuk tahanan medium filter dianalogikan dengan persamaan (5) dan dapat ditulis
sebagai berikut :
=
( 7 )
Rm = tahanan medium filter (m-1
) / ft -1
54 Pemisahan Mekanik
Pf = penurunan tekanan pada medium filter
Rm berubah menurut penurunan tekanan dan tingkat kebersihan medium filter. Tapi
hanya penting pada tahap awal, sehingga nilainya konstan selama filtrasi .
Bila tahanan ampas dan medium filter tersusun seri, maka persamaan 5 dan 7 dapat
digabung sebagai berikut:
=
+
( 8 )
P = Pc + Pf
Volume filtrat dapat pula dihubungkan dengan W (berat cake / ampas kering yang
terkumpul ) dengan hubungan sebagai berikut:
= . =
( 9 )
Cx = fraksi massa padatan dalam slurry
m = perbandingan massa ampas basah dan ampas kering
= densitas filtrat kg/m3 (lbm / ft3 )
Tahanan Ampas Spesifik
Pada persamaan 6 tahanan ampas sebagai fungsi fraksi rongga dan So. Dengan
melakukan percobaan pada tekanan tetap dengan berbagai penurunan tekanan dapat
diperoleh variasi terhadap P. Jika tidak bergantung P, maka lumpur/padatannya
tak mampu mampat dan harga = 0. Umumnya meningkat dengan P, karena cake
pada umumnya mampu mampat meskipun dalam jumlah sedikit. Untuk padatan yang
sangat mampu mampat, jika semakin naik, maka harga P juga naik.
Persamaan empirik untuk dan P dapat ditulis sebagai berikut :
= 0 (P )S ( 10 )
0 dan s merupakan tetapan empirik
s = koefisien komprebilitas ampas
= 0 : lumpur tak mampu mampat
= 0,1-0,8 : lumpur mampu mampat
Persamaan Untuk Proses Filtrasi Tekanan Konstan
55 Pemisahan Mekanik
Persamaan dasar untuk laju filtrasi dalam proses batch, secara umum beroperasi pada
tekanan konstan, sehingga persamaan 8 dapat ditulis dan disusun sebagai berikut :
=
+
() ( 11 )
atau
= . + ( 12 )
=
() untuk satuan SI
=
untuk satuan British
=
() untuk satuan British
Untuk tekanan konstan dengan konstan dan ampasnya yang bersifat mampu mampat,
maka yang bervariasi adalah V dan t sehingga persamaan (11) bila diintegrasi di dapat :
= +
=
( + )
=
+
atau
=
+ ( 13 )
Persamaan 13 adalah untuk proses filtrasi pada tekanan tetap dengan melalui medium
filter dan ampas (cake).
Persamaan Filtasi Untuk Proses Filtrasi Laju Tetap
Jika filtratnya mengalir pada laju tetap, kecepatan linear akan tetap, dan dapat
dinyatakan sebagai berikut :
=/
Atau
. =
Bila dilakukan integrasi :
v. A = V/t
v = V / A t ( 14 )
56 Pemisahan Mekanik
v = kecepatan linier proses filtrasi
V = volume filtrat
Sedang untuk filtrasi yang hanya melalui tahapan ampas:
=
A2 ( Pc ) dt = Cs V dV
Bila dilakukan integrasi maka didapat : Pc .A2 .t = Cs V2/2
=
( 15 )
Persamaan Filtrasi Kontinu
Dalam filtrasi kontinu (jenis rotary drum vacuum filter): umpan, filtrat dan ampas
bergerak pada kecepatan tetap dan stedi.
Untuk setiap tahap proses pada permukaan filter kondisi sebenarnya adalah bukan
stedi, tapi transien.
Perhatikan proses filtrasi kontinu ppermukaan 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
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 tangki
filtrat oleh sebuah pompa. 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:
= . +
jika B = 0
57 Pemisahan Mekanik
= Bila diintegrasi :
=
=
( 16 )
Waktu t adalah waktu yang diperlukan membentuk cake. Sedang untuk rotary drum
filter waktu proses untuk satu putaran adalah tc yang merupakan waktu siklus.
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:
f = A/At atau f = t/tc atau f = t.n
Persamaan rotary drum filter untuk flow rate pengumpulan filtrate dengan subsitusi
harga Kp pada persamaan 16 dan t= f. tc, sehingga didapat :
.=
..
,
( 17 )
=
.=
..
,
=
.
. (
)
Jika disusun ulang untuk membentuk persamaan yang sederhana ,sehingga persamaan
menjadi :
=
( 18 )
Dimana : Z = 2.f. P/.Cs
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.
Rumus yang berlaku :
= . =
+ .
58 Pemisahan Mekanik
Dan persamaan flow rate filtrat menjadi:
. =
+
..
. ,
( 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:
a b
c d
waktu (detik)
Gambar 5.2 Hubungan konsentrasi terhadap waktu pencucian
a-b : filtrat yang tertinggal dalam filter, disebut displacement washing. volume zat cair
pencuci = volume filtrat dalam ampas = . A. L
b-c : penurunan yang cepat dari konsentrasi zat cair
c-d : zat terlarut dalam zat cair buangan kecil
59 Pemisahan Mekanik
Soal latihan.
1. Proses filtrasi slury CaCO3 merupakan campuran CaCO3 dan H2O pada beda
tekanan tetap sebesar 6,7 lbf/in2 menghasilkan filtrat seperti pada tabel segagai
berikut:
Vol.filtrat
V (liter)
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Waktu
t (s)
17,3 41,3 72,0 108,3 152,1 201,7
Luas total filter 440 cm2, konsentrasi slury adalah 23,5 g/l pada suhu 25C. Dari
data tersebut hitung tahanan ampas (ft/lb) dan medium filter Rm( ft-1
).
Gunakan data densitas dan viskositas air pada 25C.
Latihan Filtrasi Kontinu.
Slurry berupa limbah tekstil merupakan campuran partikel pewarna dan H2O difiltrasi
dengan rotary drum filter pada P = 15 lbf/in2 dan temperature 25C. Rasio ampas
basah terhadap ampas kering sebesar 1,59 dan perbandingan zat padat dalam slurry (Cx)
=0,13.Fraksi pembentukan ampas sebesar 30% dengan waktu putar drum untuk tiap
siklus 10 menit.Tentukan luas permukaan filter pada proses tersebut, jika tahanan ampas
= 2,90 x 1010 ft/lb.
Hasil percobaan berupa data sebagai berikut:
Waktu
(s)
0 50 180 350 600 850 1000 1400
Berat
cake(lb)
0 5 10 15 20 25 30 35
60 Pemisahan Mekanik
Tujuan Pembelajaran Umum
1. Mahasiswa mampu menjelaskan pemisahan bahan padat dan cair dalam
suspensi dengan bantuan gaya sentrifugal
2. Mahasiswa mampu menjelaskan pemisahan bahan padat dan gas dalam
campuran padat-gas dengan bantuan gaya sentrifugal
Tujuan Pembelajaran Khusus
1. Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan pemisahan bahan padat dan
cair dalam suspensi dengan bantuan gaya sentrifugal
2. Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan pemisahan bahan padat dan
gas dalam campuran padat-gas dengan bantuan gaya sentrifugal
6.1 Pendahuluan
Pengertian Sentrifugasi
Pemisahan sentrifugasi untuk campuran padat-cair, padat-gas, cair-cair yang berbeda
berat jenis dan dalam operasinya dipengaruhi adanya percepatan sentripetal, yang
disebabkan adanya gaya sentrifugal menuju ke pusat sumbu putar.
Kegunaan mesin sentrifugal :
- untuk pemisahan padat-cair , padat-gas, cair -cair
- untuk pemisahan cairan yang tidak saling larut dengan density yg berbeda: emulsi
santan, emulsi susu.
- untuk pemisahan makro molekul : virus, spesies-spesies molekuler yang berbeda
ukuran
Proses pemisahan padat-cair / padat-gas yang menggunakan proses sentrifugasi
antara lain:
Pengendapan Sentrifugal (Centrifugal Sedimentation)
Filtrasi Sentrifugal (Centrifugal Filtration)
Pemisahan Dengan Cyclone
BAB VI
PEMISAHAN DENGAN GAYA SENTRIFUGAL
61 Pemisahan Mekanik
6.2 Dasar Teori Pemisahan Dengan Gaya Sentrifugal
Gambaran Pemisahan Dengan Gaya Sentrifugal :
Gambar 6.1 Pemisahan sentrifugal
Pada gambar-gambar tersebut, terjadi gaya sentrifugal dan mempunyai percepatan
sentrifugal, yaitu :
ac = r 2 ( 1 )
ac = percepatan sentrifugal (m/dt2 )
r = jarak radial dari pusat putaran (m)
= kecepatan putar ( rad/det)
sedang gaya sentrifugal Fc yang timbul dari partikel-partikel tersebut adalah :
Fc = m .ac = m.r. 2 SI ( 2 )
Fc = m.r. 2/gc British
dimana : Fc = gaya sentrifugal , Newton (N)
m = massa partikel , gram, kg, lb.
Bila = /r dan = kecepatan tangensial partikel, sehingga gaya sentrifugal dapat juga
ditulis :
Fc = m.r. (/r)2 = m.2/r ( 3 )
62 Pemisahan Mekanik
Bila kecepatan putaran dinyatakan dalam sejumlah N putaran per menit. ( N rpm), maka
kecepatan putar dapat ditulis sebagai berikut:
= 2 N / 60 ( 4 )
N = 60 / 2 r ( 5 )
Substitusi persamaan 4 ke persamaan 2, maka diperoleh gaya sentrifugal :
Fc = 0,01097 m. r. N2 satuan SI ( Newton)
atau
Fc = 0,000341 m.r.N2 satuan British ( lbf)
Pengendapan Sentrifugasi.
Jenis Peralatan pengendapan sentrifugasi.
a. Tubular Bowl Sentrifugasi
Sentrifugasi jenis ini banyak digunakan untuk memisahkan dua fase liquid yang
berbeda, yaitu Liquid fase ringan (L) dan Liquid fase berat (H) dan pemisahan
campuran padatan cairan.
Gambar 6.2 Skematis Tubular Bowl Sentrifugal
63 Pemisahan Mekanik
Tubular Bowl sentrifugal mempunyai tinggi mangkok b , jari-jari r2 dan mempunyai
permukaan cairan dengan jarak r1 dari pusat sumbu. Umpan berupa campuran
padatan/partikel dan liquid masuk dengan asumsi liquid bergerak ke atas pada
kecepatan yang merata dan partikel pada campuran tersebut bergerak secara radial
dengan kecepatan pengendapan terminal (t). Untuk partikel tertentu ada yang mulai
mengendap pada dasar mangkok dengan jarak rA dari pusat sumbu putar . Untuk proses
pengendapan sentrifugasi terbatas dengan waktu pemisahan, jika partikel yang berada
pada posisi jarak rB dari sumbu rotasi akan keluar bersama zat cair (rB
64 Pemisahan Mekanik
Volume mangkok = . b. (r22
- r12 ) sehingga waktu tinggal :
= (
)
( 9 )
Bila waktu tinggal di substitusi ke persamaan 8, maka didapat laju volumetrik
pengendapan sentrifugal dengan persamaan sebagai ber:ikut :
= ( )
(
)
( / ) ( 10 )
Untuk partikel yang mempunyai diameter kritis Dpc dan akan mengendap pada jarak
ditengah antara r1 dan r2 ,dengan demikian jarak yang dicapai partikel sampai dinding
mangkok rB = r2 dan mengendap pada rA = (r1 + r2 ) / 2 , sehingga persamaan
volumetric pengendapan adalah :
= ( )
(
)
(
+) ( 11 )
qc adalah laju aliran volumetric yang berhubungan dengan diameter kritis partikel.
Contoh soal.
Larutan viscous glycol mengandung partikel yang mempunyai densitas p =
1461kg/m3dipisahkan dengan pengendapan sentrifugasi.Sifat fluida mempunyai
densitas = 801 kg/m3 dan viskositas 100 cp. Peralatan sentrifugasi berbentuk mangkuk
dengan dimensi r2= 0,02225m,tinggi mangkuk= 0,1970 m dan jarak cairan dari pusat
sumbu mangkuk (r1)= 0,00716m.
Pengendapan sentrifugasi tersebut beroperasi dengan jumlah putaran 23000 rpm dan
mempunyai laju pengendapan alir volume q= 2,832 x 10-3
m3/h. Dari data tersebut
tentukan :
- Kecepatan putar dan volume mangkuk.
- Laju volumetric kritris qc m3/s
- Diameter kritis partikel dpcm.
65 Pemisahan Mekanik
b. Disk Bowl Sentrifugal
Centrifuge jenis ini juga digunakan untuk memisahkan campuran liquid-liquid dengan
densitas fase ringan (L) dan densitas fase berat (H). Sering kali digunakan untuk
memisahkan cairan latex, suspensi, dan cairan minyak pelumas
Gambar 6.3 Skematis Disk Bowl Centrifugal
Alat ini terdiri dari tumpukan beberapa disk berbentuk mangkuk dengan diameter
mangkuk 200 500 mm yang berputar pada sumbu vertical.Mangkuk tersebut datar
pada bagian dasar dan berbentuk kerucut bagian atas. Umpan masuk dari atas melalui
suatu pipa stasioner ke dalam leher mangkok. Dalam mangkok tersebut jika diputar
maka beberapa disk yang tersusun dengan jarak yang kecil juga berputar. Pada tiap disk
terdapat lubang berpasangan pada jarak ditengah antara poros dan dinding mangkuk.
Lubang-lubang tersebut membentuk saluran untuk dilewati zat cair. Dalam operasinya
zat cair dari umpan masuk ke dalam mangkuk dari bawah, lalu mengalir ke atas melalui
saluran melewati tumpukan disk, sehingga zat cair dengan densitas berat akan terpisah
pada sisi luar sedang zat cair dengan densitas ringan akan terdorong kea rah tengah
mangkuk. Akhirnya cairan ringan terkumpul dan keluar pada saluran bagian atas dan
cairan berat akan mengalir pada saluran bagian bawah.
66 Pemisahan Mekanik
6.3 Filtrasi Sentrifugal.
Gambar proses filtrasi sentrifugal setelah ampas terbentuk secara skematis sebagai
berikut:
Gambar 6.4 Proses filtrasi sentrifugal
Persamaan untuk filtrasi sentrifugal dapat menggunakan persamaan filtrasi tekanan
tetap dengan asumsi pengaruh gravitasi dan perubahan energy kinetik di dalam zat cair
kurang signifikan sehingga dapat diabaikan. Penurunan tekanan yang terjadi dari
gerakan sentrifugal merupakan driving force yang dapat mengalirkan slurry sehingga
zat cair mengalir melalui ampas secara laminar. Pada saat awal proses aliran slurry luas
filter (A) tidak berubah dengan jari jari karena ampas yang terbentuk sangat tipis
sehingga luas filter dianggap sama dengan luas permukaan dalam mesin sentrifugal
yang mempunyai jari- jari r. Aliran filtrat yang laminer melalui luas filter A mempunyai
kecepatan linier dan dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:
=/
=
( 12 )
q= laju volumetric filtrat (m3/ s)
Persamaan untuk filtrasi tekanan tetap yang melalui ampas dan medium filter yang telah
kita ketahui adalah :
=
( .
+)
( 13 )
67 Pemisahan Mekanik
Jika dV/ A.dt = q/A di subsitusi ke persamaan filtrasi tekanan tetap, maka persamaan 12
menjadi :
=
( . .
+)
( 14 )
Jika dinyatakan dalam hubungan perubahan tekanan sebagai berikut :
= .
( 15 )
Ingat massa padatan dalam slurry adalah mc = Cs V . , sehingga persamaan diatas dapat
ditulis sebagai berikut :
= (
+
) ( 16 )
Persamaan dasar penurunan tekanan untuk zat cair adalah :
dp = .g. dz. ( 17 )
Untuk gaya sentrifugal percepatan gravitasi g= ac=r 2 dan ketinggian zat cair dz = dr,
maka persamaan penurunan tekanan dapat ditulis sebagai berikut:
dp = . r . 2 dr ( 18 )
Pada proses filtrasi sentrifugal beda tekanan yang terjadi pada jarak r1 dan r2 dengan
melakukan integrasi persamaan 17 , maka diperoleh :
= (
)
( 19 )
Substitusi P pada persamaan 15 dan persamaan 18 , maka didapat laju volumetrik
sebagai berikut :
= (
)
+
Top Related