LAPORAN PRAKTIKUM LABORATORIUM TEKNIK KIMIA 1
Filtrasi
Oleh: Kelompok II KELAS A Ella Awaltanova
1107111628
Gede Indra LW
1107114312
Nur Khairiati
1107114208
Rahmad Rasyidin
1107114272
Sastra Silvester G
1107114148
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA S1 FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS RIAU PEKANBARU 2013
ABSTRAK Filtrasi atau penyaringan merupakan pemisahan partikel zat padat dari fluida dengan jalan melewatkan fluida melalui medium penyaring atau septum, dimana zat padat tersebut tertahan. Percobaan filtrasi ini bertujuan untuk dapat menghitung Δtf/ΔV dengan menggunakan persamaan non compressible cake, menghitung α dan Rm dari data percobaan yang diperoleh, serta menentukan hubungan Cw dan V pada proses pencucian filter. Operasi filtrasi dilakukan secara batch filtration dengan menggunakan alat plate and frame filter press. Percobaan filtrasi ini dilakukan pada tekanan 1 bar dan 1,2 bar dengan massa CaCO3 sebanyak 250 gram. Dari percobaan di dapat bahwa pada tekanan yang berbeda akan menghasilkan waktu filtrasi yang berbeda yaitu, pada tekanan yang lebih besar menghasilkan waktu filtrasi yang lebih kecil. Tekanan juga mempengaruhi nilai tahanan ampas (α) dan tahanan media (Rm) serta nilai Cw. Nilai α dan Rm cenderung mengalami kenaikan seiring dengan penambahan tekanan. Nilai α yang diperoleh adalah 0,23 m/kg pada tekanan 1 bar dan 0,276 m/kg pada tekanan 1,2 bar. Sedangkan nilai Rm yang dihasilkan dari tekanan 1 bar adalah 2 x 105 m-1 dan 3,2 x 105 m-1 saat tekanan 1,2 bar. Semakin besar tekanan pada proses filtrasi maka volume air pencuci semakin besar untuk mendapatkan nilai konsentrasi (Cw) yang konstan.
Kata kunci : Filtrasi, tekanan, plate and frame filter
BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Filtrasi atau penyaringan merupakan pemisahan zat padat dari fluida dengan
jalan melewatkan fluida itu melalui suatu medium penyaring atau septum, dimana zat padat tersebut tertahan. Operasi filtrasi dijalankan untuk memisahkan bahanbahan sehingga diperoleh bahan yang diinginkan. Operasi filtrasi sangat diperlukan dalam industri kimia terutama yang menghasilkan campuran padat cair. Di dalam industri, kandungan padatan suatu umpan mempunyai range dari hanya sekedar jejak sampai persentase yang besar. Seringkali umpan dimodifikasi melalui beberapa pengolahan awal untuk meningkatkan laju filtrasi, misal dengan pemanasan, rekristalisasi, atau dengan penambahan filter aid yaitu suatu senyawa yang dapat mengurangi kompresibililitas cake, mengurangi penetrasi partikel kecil lain yang tidak diharapkan yang dapat menutupi pori-pori membran sehingga mengurangi laju filtrasi. Oleh karena banyaknya jenis bahan yang difiltrasi dan bermacam kondisi operasi, jenis filter pun dapat dimodifikasi. Filtrasi sering diterapkan pada prosesproses
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 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 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 (slurry dan cake) terbentuk secara simultan di tiap ruang penyaringan.
1.2
Tujuan Praktikum Dalam melaksanakan praktikum ini terdapat beberapa tujuan, yaitu :
1.
Untuk dapat mengoperasikan alat filtrasi bertekanan jenis plate and frame
2.
Untuk dapat melakukan set up alat filtrasi jenis plate and frame
3.
Untuk menghitung ∆tf/∆V dengan menggunakan persamaan non compressible cake
4.
Untuk menghitung α (tahanan ampas) dan Rm (tahanan media) pada tekanan dan konsentrasi larutan CaCO3 yang digunakan.
5.
Untuk menghitung dan menganalisis hubungan Cw dan V pada proses pencucian filter.
1.3
Landasan Teori Beberapa cara pemisahan mekanik fisik dapat diklasifikasikan menjadi
sebagai berikut (Geankoplis, 1993) : 1. Filtration Pemisahan dapat dilakukan karena adanya media filtrasi seperti kain, kanvas, pasir. Pemilihan media filtrasi didasarkan atas : a. Jumlah padatan yang dipisahkan b. Tipe padatan c. Viskositas dari fluida 2. Settling and sedimentation Pada settling and sedimantation, partikel dipisahkan dari fluida dengan adanya perbedaan gaya gravitasi dan densitas dari partikel tersebut. 3. Centrifugal settling and sedimentation Proses pemisahan partikel dari fluida karena adanya gaya sentrifugal pada berbagai ukuran dan densitas fluida. 4. Centrifugal filtration Proses pemisahan yang dilakukan dengan filtrasi tetapi gaya sentrifugal yang digunakan menyebabkan perbedaan tekanan dapat diabaikan. 5. Mechanical size reduction and separation Pemisahan dilakukan dengan cara mengubah diameter partikel, kemudian dipisahkan dengan ayakan. Operasi filtrasi dapat dijalankan dengan dua cara yaitu:
1. Filtrasi batch Pada operasi batch, alat harus dibongkar untuk pengambilan cake kemudian dipasang kembali, sehingga ada masalah waktu bongkar pasang. Hal ini menyebabkan proses secara batch membutuhkan waktu yang lama. Operasi batch ini juga lebih mahal karena terbatas untuk sekala kecil. 2. Filtrasi kontinu Pada
operasi
secara
kontinu,
pengambilan
cake
dilakukan
dengan
mengeruknya secara terus menerus menggunakan pisau. Proses filtrasi secara kontinu ini banyak diterapkan pada industri kimia. Analisis operasi filtrasi ini dibagi dalam 3 tahap, yaitu : a. Pembentukan cake, b. Pencucian cake untuk membuang larutan c. Pelepasan cake dari filter. Berdasarkan gaya pendorong yang digunakan, dikenal bermacam-macam filter yaitu gravity filters, plate and frame filter press dan continous rotary vacuum filters (Brown, 1950). Tipe plate and frame filter press merupakan alat filtrasi yang paling umum digunakan dapat dilihat pada Gambar 1.1. 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.
Gambar 1.1 Plate And Frame Filter Press Keuntungan filter jenis Plate And Frame Filter Press ini adalah: 1. Biaya relatif murah 2. Perawatan mudah
3. Sangat fleksibel Jenis lain adalah rotary vacuum filter. Rotary Vacuum Filter adalah sebuah filter yang bekerja secara berkelanjutan dimana bagian yang solid dari sebuah campuran dipisahkan oleh filter yang hanya dapat dilalui oleh liquid atau gas, dalam hal ini keadaan vakum diperlukan untuk mengakumulasi zat padat di permukaan. Pada Gambar 1.2 dapat dilihat bentuk dari filter jenis ini. Filter ini dilengkapi drum yang terus berputar. Tekanan diluar drum adalah tekanan atmosferik tetapi di dalam drum mendekati vakum. Drum dimasukkan ke dalam cairan yang mengandung suspensi padatan, lalu diputar dengan kecepatan rendah. Cairan tertarik melewati filter cloth karena tekanan vakum, sedangkan padatan 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.
Gambar 1.2 Rotary Vacuum Filter Pada filtrasi dikenal dua media filter, yaitu : 1. Media primer Yaitu filter pembantu dapat berupa kain, kanvas, kertas saring. 2. Media sekunder Yaitu medium filter yang sesungguhnya, yang terbentuk karena adanya padatan-padatan yang tertahan oleh medium filter primer. Menurut prinsip kerjanya filtrasi dapat dibedakan atas beberapa cara, yaitu:
1. Pressure Filtration Filtrasi yang dilakukan dengan menggunakan tekanan. 2. Gravity Filtration Filtrasi yang cairannya mengalir karena gaya berat. Penyaringan secara gravitasi merupakan cara yang tertua yang dilakukan untuk memurnikan suatu suspensi. Gambar 1.3 di bawah ini secara luas telah digunakan seperti pemurnian melalui sand filter.
Gambar 1.3 Penyaringan Secara Gravitasi
3. Vacum Filtration Vaccum filtration merupakan filtrasi yang dilakukan dengan prinsip hampa udara untuk mengalirkan cairan. Alat filtrasi dengan prinsip hampa udara dapat dilihat pada Gambar 1.4. Filter ini dilengkapi drum yang terus berputar. Tekanan di luar drum adalah tekanan atmosferik, tetapi didalam 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 pada proses.
Gambar 1.4 Drum Vacuum Filter 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. Septum atau medium penyaring pada setiap filter harus memenuhi persyaratan sebagai berikut (Mc. Cabe, 1993) : 1. Harus dapat menahan zat padat yang akan disaring dan menghasilkan filtrat yang cukup jernih. 2. Tidak mudah tersumbat 3. Harus tahan secara kimia kuat secara fisik dalam kondisi proses. 4. Harus memungkinkan penumpukan ampas dan pengeluaran ampas secara total dan bersih 5. Tidak boleh terlalu 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. Berdasarkan
kompressibilitasnya,
cake
Compressible cake dan Non-compressible cake.
dapat
dibedakan
menjadi
1. Compressible cake Compressible cake adalah cake yang mengalami perubahan struktur karena adanya tekanan, sehingga ruang kosong dalam cake semakin kecil, akibatnya penahanan semakin besar dan filtrasi semakin sulit dilakukan. Nilai koefisien kompresibilitas (s) untuk cake jenis ini adalah 0,1 < s < 0,8. Untuk mengestimasi efek faktor kompresibilitas, diasumsikan resistansi spesifik α adalah fungsi dari ΔP menurut hubungan: α = α '(ΔP)s
.......................................
(1)
Nilai α’ dan s mudah ditentukan dengan memplot log α terhadap log ΔP. Jika nilai s besar umpan harus dipretreatment dengan penambahan filter aid. 2. Non compressible cake Non compressible cake adalah cake yang tidak mengalami perubahan struktur karena adanya penekanan. Sebenarnya cake seperti ini tidaka ada, tetapi pada praktikum ini cake dianggap non compressible karena perbedaan tekanan sangat kecil. Koefisien kompressibilitasnya adalah nol.
Filtrasi dapat dilakukan dengan cara : 1. Pada perbedaan tekanan konstan, antara P1 dan P2 konstan misalnya pada filter press. 2. Pada volum konstan, jumlah filtrat yang dihasilkan konstan setiap waktu. Dalam filtrasi umpan dapat berupa campuran gas-padat atau cairan-padatan. Diameter padatan bisa sangat halus atau sangat kasar tergantung pada jenis partikel dari padatan tersebut. Produk yang dihasilkan pada proses filtrasi dapat berupa padatan maupun cairan. Campuran turun dari media filtrasi dikarenakan adanya perbeedaan tekanan antara kedua sisi media filtrasi sehingga dapat dipisahkan antara cairan dari padatannya. Pada filtrasi batch laju alir cairan yang akan difiltrasi dapat disusun menjadi: v= dengan :
v
dV A dt
(2)
= laju alir filtrat (m/s)
dV/dt = jumlah filtrat yang dikumpulkan selama waktu t (m3/s)
= luas area filtrasi (m2)
A
Persamaan yang berlaku pada proses filtrasi adalah persamaan CarmanKozeny untuk aliran laminer dalam packed bed, persamaan ini menjelaskan proses mengalirnya suatu cairan dengan padatan dalam suatu pemisahan secara titrasi. Persamaan tersebut adalah : k v (1 ) 2 S 0 Pc = 1 L 3
dengan :
2
(3)
ΔPc = perubahan tekanan pada cake (N/m2) L
= tebal cake yang terbentuk setelah proses filtrasi (m)
k1
= konstanta (4,17)
µ
= viskositas fluida (Pa s)
v
= laju alir filtrat (m/s)
ε
= porositas
S0
= luas seluruh permukaan partikel padatan/volum wadah (m-1)
Porositas merupakan ruang kosong antara tumpukan partikel, dan tanda negatif pada perubahan tekanan menunujukkan terdapat penurunan tekanan antara kedua media filtrasi. Untuk menentukan berapa banyak filtrat yang terkumpul dapat dihubungkan (rasio) antara neraca massa dengan tebal cake, sehingga diperoleh : L A (1-ε) ρp = Cs (V +ε L A) dengan :
(4) 3
ρp = densitas partikel padatan dalam cake (kg/m ) Cs = konsentrasi padatan didalam filtrat (kg/m3)
kemudian disubstitusi persamaan (2) kedalam persamaan (1) dan gunakan persamaan (3) untuk menghilangkan nilai L, sehingga diperoleh persamaan :
Pc dV = = 2 A dt k (1 ) S 0 C s V
p 3 A
Pc Cs V
(5)
A
dimana nilai α adalah besarnya tahanan yang dihasilkan karena terjadi tumpukan cake. α=
k (1 ) S 0
p 3
2
(6)
untuk tahanan pada media filtrasi (Rm) dapat dianalogkan persamaan (5), sehingga :
Pc dV = Rm A dt
(7)
besar tahanan setelah filtrasi dapat dihitung dengan rumus : dV = A dt
P
(8)
Cs V Rm A
dimana ΔP = ΔPc + ΔPf , sehingga persamaan (7) dapat dimodifikasi menjadi : P dV = Cs A dt (V Ve ) A
(9)
Dari persamaan (8) kita dapat menentukan persamaan dasar untuk filtrasi pada proses batch dengan kondisi tekanan konstan, yaitu :
Cs dt V Rm = 2 A (P) A (P) dV
(10)
dt = Kp V + B dV
(11)
dengan Kp dalam s/m6, B dalam s/m3. Kp = B =
Cs
(12)
A2 (P)
Rm
(13)
A (P)
Untuk menentukan nilai Kp dan B dapat menggunakan grafik V versus t/V
t/V
V Gambar 1.5. Grafik hubungan Vterhadap t/V
waktu yang diperlukan selama filtrasi :
dt = Kp V + B dV t0 dt = V0 (Kp V + B ) dV
t = Kp/2 V2 + BV
(14)
untuk waktu siklus pada proses batch : t siklus (tc) = waktu filtrasi + waktu bongkar pasang + waktu pencucian waktu bongkar pasang biasanya 20 menit dan waktu pencucian dihitung dengan rumus: Waktu pencucian =
10%V f laju pencucian
(15)
laju pencucian filtrasi dihitung dengan persamaan (15) Laju pencucian =
1 4 Kp V f B
(16)
Untuk menghitung nilai cake kering maka dapat menggunakan rumus : W = Cs V =
Cx 1 m Cx
V
(17)
dengan : W = berat cake kering (kg) Cs = konsentrasi slurry didalam filtrat (kg/m3) Cx= konsentrasi slurry didalam umpan (berat padatan/berat umpan) m = rasio ampas basah terhadap ampas kering ρ = densitas fluida (kg/m3) V = volum filtrat (m3)
BAB II METODOLOGI PERCOBAAN 2.1 Bahan yang digunakan Bahan-bahan yang digunakan pada percobaan : 1. Serbuk Kalsium Karbonat (CaCO3), berwarna putih dan halus sebanyak 250 gr. 2. Air sebanyak 7 liter untuk membuat slurry. 3. Larutan standar dibuat dari 0,15 gr zat warna dalam 1 liter air. 4. Zat warna sebanyak 1,5 gr.
2.2 Alat yang digunakan Alat-alat yang digunakan pada percobaan : 1. Tangki pencuci 2. Tangki umpan 3. Pengaduk 4. Kran 5. Alat filtrasi Plate and Frame Filter Press 6. Gelas 7. Stopwatch 2.3 Prosedur Percobaan 2.3.1 Persiapan alat
Gambar 2.1 Rangkaian alat praktikum
Keterangan Gambar : 1. Tangki umpan 2. Tangki pencuci 3. Pengaduk 4. Kran 5. Pompa 6. Manometer 7. a.Frame b.Plate 8. Gelas ukur
Rangkaian alat dipasang seperti yang terlihat pada Gambar 2.1. Kemudian kran air dibuka, pompa dihidupkan. Tahap ini dilakukan untuk pengecekan kebocoran alat 2.3.2 Pembuatan slurry CaCO3 CaCO3 dan zat pewarna ditimbang untuk membuat slurry. Massa CaCO3 yang akan ditimbang adalah 250 gram sebanyak dua kali serta 1,5 gram zat pewarna untuk masing-masingnya. CaCO3 dan zat pewarna yang telah ditimbang dilarutkan ke dalam 7 liter air dan diaduk dengan motor pengaduk. 2.3.3. Pembuatan larutan standar Zat warna sebanyak 0,15 gr dilarutkan dalam 1 liter air untuk membuat larutan induk 2.3.4. Persiapan Alat Alat-alat dirangkai seperti pada gambar rangkaian alat, kran pencuci air pada alat dibuka. Alat di uji kebocoran dahulu sebelum digunakan. 2.3.5 Percobaan Slurry CaCO3 dimasukkan ke tangki umpan, keran umpan dibuka. Pressure drop konstan dengan mengatur kran recycle. Filtrat ditampung setiap
200 cm3 dan dicatat waktunya. Filtrasi dihentikan apabila tidak ada lagi filtrat keluar. 2.3.6 Pencucian Kran air pencuci pada alat dibuka dan air pencuci yang keluar ditampung.
Setiap
200
cm3
diambil
sampelnya
untuk
ditentukan
konsentrasinya. Pencucian dihentikan apabila warna air cucian relatif konstan 2.3.7 Bongkar pasang Plate and frame filter press dibongkar untuk membersihkannya dari cake dan kotoran, dan filter cloth dicuci. Kemudian alat filtrasi dipasang lagi untuk operasi selanjutnya. Waktu bongkar pasang di catat.
2.4 Analisa Data Dari percobaan yang telah dilakukan diperoleh data : V, C, hs, hw, Cs0, n, Vw, (-P), A, dan tp. a.
Menentukan Cv dan Ve Persamaan yang digunakan :
2 . CV 2 . CV Δtf = 2 .V + 2 . Ve ΔV A . (-Δp C ) A . (-Δp C )
(18)
Untuk menghitung tf/V digunakan persamaan finite difference sebagai berikut : 1.
Untuk data-data awal (Forward Finite Difference)
[ 2.
(19)
Untuk data-data tengah (Central Finite Difference)
[ 3.
- 3 tfi (4 tfi 1 ) - (tfi 2 ) tf ]i V 2 V
(- tfi-2 ) + ( tfi +1 ) Δtf ]i = ΔV 2 ΔV
(20)
Untuk data-data akhir (Backward Finite Difference)
[
- 3 tfi + (4 tfi +1 ) - (tfi +2 ) Δtf ]i = ΔV 2 ΔV
(21)
Dari grafik hubungan antara tf/V Vs V dapat dicari slope dan intersepnya, dimana:
Slope =
Intersep =
2 CV A 2 . (-ΔP)
2 CV . Ve A . (-ΔP) 2
Maka dapat dihitung Cv dan Ve b.
Menentukan volume pencucian (Vw) Persamaan yang digunakan : C W = C S0
hs hW
Dengan membuat grafik hubungan antara CW dan VW, maka harga VW dapat dicari yaitu pada saat VW mencapai keadaan konstan atau mendekati konstan dimana pada saat kurva CW Vs VW mendatar. Grafik hubungan CW Vs VW dapat ditunjukkan oleh gambar berikut :
Gambar 2.2 Grafik hubungan CW Vs VW untuk penentuan VW opt c.
Menentukan Vopt dan tsopt Digunakan persamaan : Vopt =
Dengan K =
tsopt =
Vw opt V
A 2 .(- ΔP) tp . ( CV 1 + 2K )
, maka :
CV [(1 + 2K)Vopt 2 + 2(1 + K)Vopt . Ve] + tp A . (-Δp) 2
(22)
(23)
BAB III HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Hubungan antara Δtf/ΔV dengan ΔV pada filtrasi CaCO3 250 gram pada tekanan 1 bar dan 1,2 bar Pada gambar 3.1. dam gambar 3.2 terlihat hubungan antara Δtf/ΔV dengan ΔV yang menunjukkan terjadi kenaikan dibeberapa titik. y = -7E-08x + 0,007 R² = 0,0006
0,018 0,016 Δtf/ΔV (s/ml)
0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 0
400
800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 V (ml)
Gambar 3.1. Grafik hubungan Δtf/ΔV dengan ΔV pada filtrasi CaCO3 250 gram dan tekanan 1 bar
0,012
y = -7E-07x + 0,0084 R² = 0,1049
Δtf/ΔV (s/ml)
0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 0
400
800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 V (ml)
Gambar 3.2. Grafik hubungan Δtf/ΔV dengan ΔV pada filtrasi CaCO3 250 gram dan tekanan 1,2 bar
Dari gambar 3.1 dan gambar 3.2 untuk filtrasi CaCO3 250 gram pada tekanan 1 bar dan 1,2 bar terlihat bahwa perubahan waktu per perubahan volume (Δtf/ΔV) terbesar terjadi pada saat volume filtrat 1200 ml (1,2 liter) untuk tekanan 1 bar dan pada saat volume filtrat 3000 ml (3 liter) untuk tekanan 1,2 bar. Berdasarkan gambar tersebut didapatkan informasi bahwa hubungan antara tf/V dengan V yang tidak selalu berbanding lurus namun memberikan kurva yang fluktuatif. Namun, pada beberapa titik terjadi kenaikan perubahan waktu per perubahan volume seiring dengan pertambahan volume filtrat. Hasil tersebut tidak sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa volume filtrat yang dihasilkan akan berbanding lurus dengan perubahan waktu per perubahan volume (Geankoplis, 1993). Ada beberapa hal yang mempengaruhi ketidaksesuaian hasil yang diperoleh dengan teori, yaitu : 1. Penggunaan wadah yang ditandai dengan tinta untuk penampung filtrat kurang tepat dilakukan. 2. Pengukuran waktu pada saat penampungan filtrat yang kurang akurat. Faktor-faktor tersebut diprediksi dapat mempengaruhi hasil percobaan yang didapat. Pada gambar 3.3 memberikan informasi bahwa persamaan garis kurva hubungan antara Cw dengan Vw pada filtrasi CaCO3 250 gram dan tekanan 1 bar adalah y = -4E-05 x + 0,2335. Dari persamaan garis tersebut ditunjukkan bahwa nilai slope adalah 4E -05 dan nilai intercept sebesar 0,2335. Sehingga dari nilai tersebut didapatkan Vopt sebesar 1018,402 ml dan tsopt selama 9,46 menit. Dengan demikian, waktu yang diperlukan untuk satu siklus filtrasi pada filtrasi CaCO3 250 gram dengan tekanan 1 bar adalah total dari waktu filtrasi, waktu pencucian, dan waktu bongkar pasang alat, maka didapatkan waktu satu siklus filtrasi selama 19,628 menit. Demikian juga dengan filtrasi CaCO3 250 gram pada tekanan 1,2 bar, maka Vopt yang diperoleh sebesar 618,21 ml dan tsopt selama 6,87 menit. Sehingga waktu untuk satu siklus filtrasi pada kondisi ini didapatkan selama 12,714 menit. Perbedaan waktu yang diperoleh tersebut dipengaruhi oleh tekanan yang
diberikan. Semakin besar tekanan pada saat filtrasi maka semakin cepat waktu yang dibutuhkan untuk satu siklus filtrasi (Geankoplis, 1993). 3.2. Hubungan antara CW dengan VW pada filtrasi CaCO3 250 gram pada tekanan 1 bar dan 1,2 bar Pada gambar 3.3. dan 3.4 berikut memberikan informasi hubungan antara Cw dan Vw pada filtrasi CaCO3 250 gram dengan tekanan 1 bar dan 1,2 bar. 0,35
y = -4E-05x + 0,2335 R² = 0,2319
0,3
Cw (g/L)
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 Vw (ml)
Gambar 3.3. Grafik hubungan Cw dengan Vw pada proses filtrasi CaCO3 250 gram dan tekanan 1 bar y = -6E-05x + 0,2868 R² = 0,488
0,35 0,3
Cw (g/L)
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 V (ml)
Gambar 3.4. Grafik hubungan Cw dengan Vw pada proses filtrasi CaCO3 250 gram dan tekanan 1,2 bar
Dari gambar 3.3. dan 3.4 terlihat bahwa konsentrasi zat warna pada filtrat cenderung mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya volume filtrat yang keluar pada proses pencucian. Namun, pada saat konsentrasi dari larutan standar diubah maka konsentrasi dari zat warna turun seketika dan mengalami kenaikan kembali dengan bertambahnya volume filtrat yang keluar pada proses pencucian. Pada gambar 3.3 dapat dilihat bahwa konsentrasi air pencuci sudah mulai konstan pada saat volum air pencuci 2700 ml. Dari hal ini dapat ditentukan bahwa volum air pencuci optimal (Vwopt) adalah 2700 ml. Proses pencucian berlangsung selama 58,08 detik. Dari nilai slope dapat dihitung nilai konstanta filtrat K = Vwopt/V = 0,9. 𝑉𝑜𝑝𝑡 = 𝑡𝑜𝑝𝑡 = =
𝐴2 𝑥 (;∆𝑃)
𝑡𝑝
𝐶𝑣
(1:2𝐾)
=
(0,32)2 𝑥 (1 𝑥 105)
58,08
0,2048
(1:(2𝑥0,9))
= 1018,402 ml
𝐶𝑣 (1 + 2𝐾)𝑉𝑜𝑝𝑡2 + 2(1 + 𝐾)𝑉𝑜𝑝𝑡 𝑉𝑒 + 𝑡𝑝 2 𝐴 (;∆𝑃) 0,2048 [ (1+(2x0,9)) (1018,402)2 + 2(1+0,9) (1018,402) (0,32)2 (1𝑥105)
(5837,5) ] + 58,08
= 567,97 sekon topt = 9,46 menit tstotal = waktu filtrasi + waktu pencucian + waktu bongkar pasang alat Dari perhitungan didapat nilai waktu siklus filtrasi adalah 19,628 menit. Waktu satu kali siklus terdiri dari waktu proses, waktu pencucian, dan waktu bongkar pasang alat. Hal yang sama juga terjadi pada gambar 3.4, yaitu konsentrasi air pencuci sudah mulai konstan pada saat volum air pencuci 2850 ml. Sehingga didapatkan volum air pencuci optimal (Vwopt) sebesar 2850 ml. Proses pencucian berlangsung selama 33,25 sekon (0,554 menit), maka waktu siklus filtrasi pada tekanan 1,2 bar didapatkan selama 12,714 menit. Dari kedua data tersebut dapat dibandingkan waktu siklus filtrasi yang didapatkan terhadap tekanan yang diberikan. Semakin besar tekanan yang diberikan selama proses filtrasi maka semakin cepat waktu siklus filtrasi yang didapat.
3.3. Nilai Tahanan Ampas (α) dan Tahanan Media (Rm) pada Tekanan dan Konsentrasi Larutan CaCO3 Dari tabel 3.1 dapat dilihat bahwa peningkatan tekanan yang diberikan pada proses filtrasi akan memperbesar nilai tahanan ampas (α) dan nilai tahanan media filtrasi (Rm). Sehingga proses filtrasi berlangsung semakin cepat dengan peningkatan tekanan yang diberikan pada proses filtrasi. Tabel 3.1. Pengaruh tekanan terhadap nilai α dan Rm No
Tekanan (Pa)
Kp
B
α (m/kg)
Rm (m-1)
1
1 x 105
8 x 10-7
0,0059
0,23
2 x 105
2
1,2 x 105
8 x 10-7
0,0078
0,276
3,2 x 105
Hubungan antara perubahan tekanan yang diberikan pada proses filtrasi dengan tahanan ampas (α) dan tahanan media (Rm) adalah berbanding lurus, sehingga dapat disimpulkan bahwa semakin besar tekanan pada proses filtrasi maka semakin besar tahanan ampasnya (α) dan semakin besar juga tahanan media filtrasinya (Rm). Hal tersebut sesuai dengan teori, dimana menurut teori semakin besar tekanan pada proses filtrasi maka tahanan ampas (α) dan tahanan media (Rm) semakin besar, hubungan ini dapat dilihat pada persamaan (24) dan persamaan (25) berikut ini. =
Rm =
Kp A 2 (P) Cs
B A (P)
(24)
(25)
BAB V KESIMPULAN 1. Volume filtrasi berbanding lurus terhadap perubahan waktu per perubahan volume filtrasi. Hal ini dapat dibuktikan dengan semakin besarnya kenaikan volume filtrasi maka akan semakin besar pula kenaikan perubahan waktu per perubahan volume filtrasi. 2. Semakin besar volume air pencuci maka nilai konsentrasi zat pewarna dalam air pencuci akan menuju nilai konstan 0,12 pada tekanan 1 bar dan 0,14 pada tekanan 1,2 bar yaitu pada volume 2700 ml dan 2850 ml. 3. Pada percobaan dengan tekanan 1 bar diperoleh Vopt 1018,402 ml dan waktu siklus optimum (ts opt) = 9,46 menit, sedangkan pada tekanan 1,2 bar diperoleh Vopt 618,21 ml dan waktu siklus optimum (ts opt) = 6,87 menit. 4. Nilai tahanan ampas () dan tahanan media (Rm) yang diperoleh pada percobaan adalah : Massa CaCO3
∆P
Kp
Rm
(m/kg)
(m-1)
B
2
(gram)
(N/m )
250
1 x 105
8 x 10-7
0,0059
0,23
2 x 105
250
1,2 x 105
8 X 10-7
0,0078
0,276
3,2 x 105
5. Semakin besar tekanan yang diberikan pada proses filtrasi CaCO3 maka nilai tahanan ampas () menjadi besar juga, yaitu pada tekanan 1 bar = 0,23 dan ketika dinaikkan menjadi 1,2 bar = 0,276. 6. Semakin besar tekanan pada proses filtrasi juga mempengaruhi nilai tahanan media filtrasi (Rm), yaitu pada tekanan 1 bar yaitu 2 x 105 ketika tekanan dinaikkan menjadi 1,2 bar Rm juga naik menjadi 3,2 x 105
LAMPIRAN A DOKUMENTASI PRAKTIKUM
Gambar A.1 Penimbangan CaCO3
Gambar A.2 Penimbangan untuk pembuatan larutan berwarna
Gambar A.3. Pembuatan slurry sebelum penambahan pewarna
Gambar A.4. Pembuatan slurry dengan penambahan pewarna
LAMPIRAN B DATA PERCOBAAN 1.
Tekanan 1 bar Berat CaCO3 250 gram
Tabel B.1. Data Percobaan Filtrasi CaCO3 250 gram pada tekanan 1 bar V (ml) tf (s) ΔV (ml) Δtf/ΔV (s/ml) 1 200 2,21 200 0,00565 2 400 3,29 200 0,005825 3 600 4,27 200 0,00255 4 800 4,88 200 0,003075 5 1000 5,69 200 0,0012 6 1200 6,89 200 0,020725 7 1400 10,01 200 0,0052 8 1600 11,08 200 0,0055 9 1800 12,21 200 0,008725 10 2000 14,57 200 0,009075 11 2200 15,84 200 0,00595 12 2400 16,95 200 0,00585 13 2600 18,18 200 0,0064 14 2800 19,51 200 0,009775 15 3000 21,18 200 0,004875 16 3200 22,28 200 0,00705 17 3400 23,63 200 0,00585 18 3600 24,86 200 0,00705 19 3800 26,21 200 20 4000 27,44 200 Waktu pencucian = 58,08 detik No
Waktu bongkar pasang alat
= 9,2 menit
Tabel B.2. Data Percobaan Hasil Proses Pencucian Filtrasi CaCO3 250 gram pada Tekanan 1 bar No 1 2 3 4 5 6 7
V (ml) 150 300 450 600 750 900 1050
hw (cm) 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5
hs (cm) Cso(gr/L) 6,3 0,15 6,5 0,15 6,6 0,15 6,8 0,15 7 0,15 8 0,15 9 0,15
Cw (ml) 0,171818182 0,177272727 0,18 0,185454545 0,190909091 0,218181818 0,245454545
No 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2.
V (ml) 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 2250 2400 2550 2700 2850 3000
hw (cm) 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5
hs (cm) Cso(gr/L) 9,5 0,15 10 0,15 10,5 0,15 11 0,15 6,5 0,075 7 0,075 7,5 0,075 8 0,075 8,5 0,075 8,7 0,075 9 0,075 9,5 0,075 10 0,075
Cw (g/l) 0,259090909 0,272727273 0,286363636 0,3 0,088636364 0,095454545 0,102272727 0,109090909 0,115909091 0,118636364 0,122727273 0,129545455 0,136363636
Tekanan 1,2 bar CaCO3 250 gram
Tabel B.3. Data Percobaan Filtrasi CaCO3 250 gram pada tekanan 1,2 bar No V (ml) 1 200 2 400 3 600 4 800 5 1000 6 1200 7 1400 8 1600 9 1800 10 2000 11 2200 12 2400 13 2600 14 2800 15 3000 16 3200 17 3400 18 3600 19 3800 20 4000 Waktu pencucian
tf (sekon) ΔV (ml) 2,27 200 4,27 200 5,91 200 6,98 200 8,64 200 10,24 200 11,18 200 12,42 200 13,53 200 14,17 200 16,36 200 17,49 200 18,81 200 20,07 200 21,22 200 23,22 200 24,52 200 25,64 200 26,94 200 28,06 200 = 33,25 detik
Waktu bongkar pasang alat
= 5,29 menit
Δtf/ΔV (sekon/ml) 0,0109 0,009625 0,003875 0,00845 0,00965 0,00395 0,006525 0,005875 0,004375 0,007075 0,0083 0,006125 0,00645 0,003625 0,01175 0,00695 0,00515 0,00695
Tabel B.4. Data Percobaan Hasil Proses Pencucian Filtrasi CaCO3 250 gram pada Tekanan 1,2 bar No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
V (ml) 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 2250 2400 2550 2700 2850 3000
hw (cm) 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5
hs (cm) 8 8,4 8,7 9,2 9,8 10 10,2 10,5 10,7 11 6,7 7,1 7,8 8,5 8,9 9,6 9,8 10,5 10,6 11
Cso (g/L) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075
Cw (g/L) 0,218181818 0,229090909 0,237272727 0,250909091 0,267272727 0,272727273 0,278181818 0,286363636 0,291818182 0,3 0,182727273 0,096818182 0,106363636 0,115909091 0,121363636 0,130909091 0,133636364 0,143181818 0,144545455 0,15
LAMPIRAN C PERHITUNGAN Keterangan pengolahan data Tabel B.1 dan Tabel B.3 Data dibagi menjadi tiga kelompok data yaitu data awal dari nomor 1–7, data tengah dari nomor 8-13, dan data akhir dari nomor 14-20. Untuk data awal :
3t fi 4t f i 1 t f i 2 t f 2V V i
dengan i dari 1 sampai 7
Untuk data tengah :
t f t f i 1 t f i 1 2V V i
dengan i dari 8 sampai 13
Untuk data akhir :
t f 3t fi 4t f i 1 t f i 2 2V V i
dengan i dari 14 sampai 20
Keterangan pengolahan data Tabel B.2 dan B.4
CW Cs 0
HS HW
Contoh Perhitungan : 1. Filtrasi CaCO3 250 gram tekanan 1 bar Dari gambar 3.3. didapatkan persamaan garis : y = -4E-05 x + 0,2335 5 (−∆𝑝) = 1 bar = 1 x 10 Pa Panjang sisi plat = 20 cm A = sisi x sisi = 20 cm x 20 cm = 400 cm2 = 0,04 m2 Total luas untuk 8 buah plat = 8 x 0,04 =0,32 m2 𝐶𝑣 = Ve =
𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑥 𝐴2 (;∆𝑃)
𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑡 𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒
2
=
=
0,2335 4 𝑋 10;5
4 𝑋 10;5 𝑋 (0,32)2 (1 𝑋 105) 2
= 5837,5 cm
3
= 0,2048
Vwopt = 2700 ml K=
𝑉𝑤𝑜𝑝𝑡 2700 𝑚𝑙
=
𝑉
3000 𝑚𝑙
= 0,9
Waktu pencucian
= 58,08 sekon = 0,968 menit
Waktu bongkar pasang alat
= 9,2 menit
𝑉𝑜𝑝𝑡 = 𝑡𝑜𝑝𝑡 = =
𝐴2 𝑥 (;∆𝑃)
𝑡𝑝
𝐶𝑣
(1:2𝐾)
=
(0,32)2 𝑥 (1 𝑥 105)
58,08
0,2048
(1:(2𝑥0,9))
= 1018,402 ml
𝐶𝑣 (1 + 2𝐾)𝑉𝑜𝑝𝑡2 + 2(1 + 𝐾)𝑉𝑜𝑝𝑡 𝑉𝑒 + 𝑡𝑝 𝐴2 (;∆𝑃) 0,2048 [ (1+(2x0,9)) (1018,402)2 + 2(1+0,9) (1018,402) (5837,5) ] + 58,08 (0,32)2 (1𝑥105)
= 567,97 sekon topt = 9,46 menit tstotal = tp + tbp + topt tstotal = 0,968 + 9,2 + 9,46 tstotal = 19,628 menit 2. Filtrasi CaCO3 250 gram tekanan 1,2 bar Dari gambar 3.4. didapatkan persamaan garis : Y = -6E-05x + 0,2868 5
(−∆𝑝) = 1,2 bar = 1,2 x 10 Pa Panjang sisi plat = 20 cm A = sisi x sisi = 20 cm x 20 cm = 400 cm2 = 0,04 m2 Total luas untuk 8 buah plat = 8 x 0,04 =0,32 m2 𝐶𝑣 = Ve =
𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑥 𝐴2 (;∆𝑃) 2
𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑡 𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒
=
=
0,36864 6 𝑋 10;5
6 𝑋 10;5 𝑋 (0,32)2 (1,2 𝑋 105) 2
= 4780 cm
= 0,36864
3
Vwopt = 2850 ml K=
𝑉𝑤𝑜𝑝𝑡 2850 𝑚𝑙 𝑉
=
3000 𝑚𝑙
= 0,95
Waktu pencucian
= 33,25 sekon = 0,554 menit
Waktu bongkar pasang alat
= 5,29 menit
𝑉𝑜𝑝𝑡 = ml
𝐴2 𝑥 (;∆𝑃)
𝑡𝑝
𝐶𝑣
(1:2𝐾)
=
(0,32)2 𝑥 (1,2 𝑥 105)
33,25
0,36864
(1:(2𝑥0,95))
= 618,21
𝑡𝑜𝑝𝑡 = =
𝐶𝑣 (1 + 2𝐾)𝑉𝑜𝑝𝑡2 + 2(1 + 𝐾)𝑉𝑜𝑝𝑡 𝑉𝑒 + 𝐴2 (;∆𝑃) 0,36864 [ (1+(2x0,95)) (618,21)2 + 2(1+0,95) (0,32)2 (1,2𝑥105)
𝑡𝑝 (618,21) (4780) ] + 33,25
= 412,24 sekon tstotal = tp + tbp + topt tstotal = 0,554 + 5,29 + 6,87 tstotal = 12,714 menit 3. Perhitungan Nilai Tahanan Media (Rm) dengan Tahanan Ampas ( ) 1. Untuk CaCO3 250 gram pada P = 1bar ΔP
= 1 bar = 1x 105 Pa = 1x105 N/m2
V Air
= 7 L = 7000 ml
m air
= 7000 gr
Viskositas () = 0,93x10-3 kg/ms = 996,9 kg/m3
Densitas ()
Area filtrasi (A)
= (8 x 20 cm x 20 cm) = 3200 cm2 = 0,32 m2
y
= 4E-07x + 0,0059
Kp
= 2 x (4.10-7) = 8.10-5
B (Intercept) = 0.0059 Maka nilai tahanan media filtrasi (Rm) dan tahanan ampas ( ) adalah: Konsentrasi slurry didalam umpan (Cx) : Cx =
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝐴𝑖𝑟
=
250 7000
= 0,0357
Konsentrasi slurry didalam filtrat (Cs) : 𝜌 𝐶𝑥
Cs = 1;𝑚𝐶𝑥 =
∝ =
Rm =
(996,9) 𝑥 (0,0357) 1 ;(2 𝑥 0,0357)
𝐾𝑝 𝐴2 (∆𝑃) 𝜇 𝐶𝑠
=
= 38,325 kg/m
8 𝑥 10;7 (0,32)2 (1𝑥105) 0,93 𝑥 10;3 (38,325)
𝐵 𝑥 𝐴 𝑥 (;∆𝑃)
0,0059 𝑥 0,32 𝑥 (1 𝑥 105)
𝜇
0,93 𝑥 10;3
=
3
= 0,23m/kg 5
= 2 x 10 m
-1
2. Untuk CaCO3 250 gram pada P = 1.2bar ΔP
= 1.2 bar = 1.2x 105 Pa = 1.2x105 N/m2
V Air
= 7 L = 7000 ml
m air
= 7000 gr
Viskositas () = 0,93x10-3 kg/ms Densitas ()
= 996,9 kg/m3
Area filtrasi (A)
= (8 x 20 cm x 20 cm) = 3200 cm2 = 0,32 m2
y
= -4E-07x + 0,0078
Kp
= 2 x (4.10-7) = 8.10-7
B (Intercept) = 0.0078 Maka nilai tahanan media filtrasi (Rm) dan tahanan ampas ( ) adalah: Konsentrasi slurry didalam umpan (Cx) :
Cx =
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝐴𝑖𝑟
=
250 7000
= 0,0357
Konsentrasi slurry didalam filtrat (Cs) : 𝜌 𝐶𝑥
Cs = 1;𝑚𝐶𝑥 = ∝ =
Rm =
(996,9) 𝑥 (0,0357) 1 ;(2 𝑥 0,0357)
𝐾𝑝 𝐴2 (∆𝑃)
=
𝜇 𝐶𝑠
3
= 38,325 kg/m
8 𝑥 10;7 (0,32)2 (1,2𝑥105) 0,93 𝑥 10;3 (38,325)
𝐵 𝑥 𝐴 𝑥 (;∆𝑃)
0,0078 𝑥 0,32 𝑥 (1,2 𝑥 105)
𝜇
0,93 𝑥 10;3
=
= 0,276 m/kg 5
-1
= 3,2 x 10 m
DAFTAR PUSTAKA Brown, G.G. 1985. Unit Operation. John Willey E.Sons Inc. New York Coulson, J.M. and Richardson, J.F, vol.6, 1989, “An Introduction to Chemical Engineering Design”. Geankoplis, C.J. 1993, Transport Process and Unit Operation, 3rd edition, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey. Mc Cabe, W.L., J.C Smith and P. Harriot, 1985 Unit Operation of Chemical Engineering, 5th edition, McGraw-Hill Book Co. Inc., New York. Smith, J.M., dan Van Ness, H.C. 1986, ”Intoduction to Chemical Engineering Termodynamics”.
