ROTARY DRUM FILTER Emmanuella. MW.Ir I. PENDAHULUAN 1.1. Latar belakang Rotary drum filter merupakan salah satu jenis filter yang dioperasikan secara kontinyu. Seperti alat filtrasi pada umumnya, alat ini mempunyai medium filter dan support sebagai komponen utama, hanya saja bentuk support berupa silinder dan medium filter mengelilinginya. Bentuk silinder tersebut mengakibatkan alat ini diberi nama drum. Selama beroperasi, drum tersebut berputar perlahan, oleh karena disebut rotary. Seringkali alat ini disebut sebagai rotary vacuum filter, karena kondisi tekanan di dalam drum bersifat vakum. Jenis filter ini telah lama diaplikasikan di dunia industri. Keuntungan pemakaian alat ini terletak pada sistem operasinya yang kontinyu, sehingga waktu proses lebih efisien dan penggunaan tenaga kerja lebih hemat. Dalam sekali putaran, rotary drum filter melakukan tahap penyaringan, pencucian, pengeringan, dan pengumpulan cake yang jika dilakukan secara batch harus dilakukan satu per satu sehingga akan memakan waktu serta tenaga. Bahan yang bisa disaring memakai rotary drum filter dengan model yang sejenis dengan alat praktikum ini pada prinsipnya berupa suspensi, dan yang biasa diolah dalam indiustri adalah : a. Lumpur limbah b. Pigmen c. Resin, plastik, atau polimer d. Senyawa Kalsium e. Titanium dioksida f. Mineral dan senyawa kimia anorganik 1.2. Tujuan Praktikum (1) Memahami pengoperasian rotary drum filter, mulai dari prosedur start up, operasi normal, sampai shut down (2) Mengamati karakter proses operasi filtrasi kontinyu memakai alat rotary drum filter (3) Mendapatkan hubungan antar variabel yang mempengaruhi pengoperasian rotary drum filter dengan persamaan karakteristik yang telah tersedia dalam literatur (4) Mencari konstanta karakteristik untuk operasi ini dengan pengolahan data praktikum II.
LANDASAN TEORI Komponen utama dari rotary drum filter berupa sebuah drum berputar yang dindingnya merupakan support dari medium filter. Medium filter ini bertindak sebagai komponen pemisah yang akan meloloskan cairan filtrat dan menahan cake. Pemilihan medium filter merupakan faktor penting yang akan menentukan mutu produk. Contoh bahan medium yang banyak dipakai adalah : polyester, nylon, polypropylene, dan bahan dari serat khusus. Drum diberi vakum di bagian tengahnya, sehingga cairan filtrat akan mengalir masuk kebagian tengah drum dengan menembus medium filter dan support sambil meninggalkan padatan cake di permukaan medium filter. Cake yang menempel akan
diambil oleh pisau (knife) dan dikumpulkan dalam penampung cake. Sementara itu filtrat mengalir keluar dari bagian poros drum dan dialirkan ke tangki filtrat oleh sebuah pompa. DRUM
SUPPORT
FILTER MEDIUM
CAKE
KNIFE
Gambar 1. Komponen utama rotary drum filter Dalam satu kali putaran, secara lengkap drum mengalami beberapa tahapan, yaitu : 1. Pembentukan cake Pada saat drum tercelup dalam suspensi, maka aliran filtrat menembus medium filter akan terjadi. Selain tahap ini perpindahan massa filtrat dari suspensi ke dalam drum tidak terjadi. Pada saat filtrat menembus medium, padatan dalam suspensi akan tertinggal dan menempel di permukaaan mediu, dan terjadilah pembentukan cake. Tahap ini berlangsung dalam zona pembentukan, dan di daerah ini kondisi vakum diaplikasikan secara maksimal. Total rasio daerah yang tercelup disebut apparent submergence, sedangkan rasio daerah tercelup dimana pembentukan cake betul-betul efektif disebut effective submergence. Rasio ini umumnya berkisar antara 33 sampai 35%. 2. Pengeringan dan pencucian Dalam zona ini air yang mungkin masih membasahi cake dihisap lebih lanjut, menghasilkan cake yang lebih kering. Jika diperlukan, dapat dilakukan tahap pencucian untuk menghilangkan kotoran yang menempel atau tercampur dalam cake. Dalam rotary drum filter yang dipakai untuk praktikum ini, tidak ada tahap pencucian. Tahap pengeringan dilanjutkan setelah tahap pencucian, dengan cara yang sama dengan sebelumnya. Jika tidak ada tahap pencucian, maka zona untuk tahap ini hanya terdiri dari zona pengeringan, sedangkan jika ada pencucian terbagi menjadi zona-zona: pra pengeringan, pencucian, dan pengeringan akhir 3. Pelepasan cake. Cake yang telah cukup kering digaruk oleh sebilah pisau, dan dikumpulkan dalam sebuah bak penampung. Di tempat pelepasan cake, kondisi vakum dalam drum ditiadakan. Daerah tempat langkah ini berlangsung disebut zona pelepasan. 4. Tahapan kosong. Tahap ini berlangsung setelah pisau melepas cake. Medium filter menjadi terekpos, tanpa ada cake yang melapisi. Jika ruang vakum dalam drum terhubung
dengan daerah ini, maka akan terjadi kebocoran vakum yang mengakibatkan kondisi vakum di zona lain tidak berfungsi. Oleh karena hal ini, maka diperlukan suatu valve pengatur yang menyekat zona ini dengan kondisi vakum dalam drum. Zona ini biasa disebut dead zone, dan diterjemahkan sebagai zona mati. Mekanisme operasi filtrasi memakai rotary drum filter dapat dijelaskan oleh gambar berikut. washing zone (zona pencucian) final drying zone (zona pengeringan akhir)
discharge zone (zona pelepasan)
predrying zone (zona pra pengeringan)
dead zone (zona mati)
ARAH PUTARAN
formation zone (zona pembentukan)
Gambar 2. Mekanisme dan zona dalam rotary drum filter Selama drum berputar, valve otomatis secara terus menerus mengatur segmen drum yang menjalani filtrasi, pencucian dan pengeringan, serta pelepasan cake, juga segmen yang memasuki zona mati. Valve ini dilengkapi dengan sekat yang biasa disebut jembatan (bridge), yang merupakan daerah perubahan tekanan.
.
Gambar 3. Pengaturan kondisi tekanan dengan valve bidging
Dalam aplikasi secara industrial, rotary drum filter cocok digunakan untuk proses yang mempunyai karakteristik sebagai berikut : 1. Suspensi (atau slurry) dengan padatan yang tidak cenderung mengendap dengan cepat dan berada dalam suspensi seragam jika diaduk dengan baik. 2. Cake yang tidak memerlukan waktu pengeringan lama 3. Cake yang dengan sekali tahap pencucian akan bersih dari kotoran atau menghasilkan recovery filtrat yang maksimal. 4. Filtrat yang tidak memerlukan pemisahan tajam antara filtrat induk dan filtrat hasil pencucian 5. Filtrat yang diizinkan mengandung sedikit padatan halus. Padatan ini mungkin lolos menembus medium filter pada detik-detik pertama dari pembentukan cake. Dalam beberapa pengoperasian rotary drum filter, biasanya filtrat dapat mengandung sampai 5000 ppm padatan tak terlarut. Karakter rotary drum filter didasarkan persamaan karakteristik yang dapat menggambarkan perilaku rotary drum filter, yaitu : V 2. f .( P ) Flow rate = = A.t C t C . . .c S
1/ 2
(Geankoplis, 1993, hal. 814)
Dimana : V : volume filtrat yang tertampung di bak penampung A : luas penampang filtrasi (filter area) tC : waktu siklus total (total cycle time) f : fraksi bagian yang tercelup dalam slurry (-ΔP) : beda tekan yang terukur dalam drum μ : viskositas filtrat α : hambatan spesifik cake (specific cake resistance) cs : kg solid/m3 volume filtrat harga cs didapatkan dari persamaan berikut : .c X cs = 1 m.c X
ρ : massa jenis air cx : kg solid/kg slurry m : kg cake basah/kg cake kering
Flow rate biasa dilambangkan Φ, merupakan laju alir linier filtrat yang dipindahkan ke tangki penampung. Perpindahan massa filtrat ini hanya berlangsung di bagian drum yang tercelup ke dalam suspensi. Tahanan perpindahan dianggap hanya dari cake, sedangkan dari medium diabaikan karena dalam operasi filtrasi kontinyu biasanya memiliki harga yang relatif kecil. Dalam praktikum ini telah dipilih jenis umpan serta bahan medium yang cocok untuk kondisi tersebut.
III. PERCOBAAN 3.1 Alat dan Bahan Praktikum a. Alat utama : seperangkat alat praktikum rotary drum filter TANGKI UMPAN DRUM
TANGKI PRODUK
PISAU POMPA UMPAN
AIR ES
VAKUM SEPARATOR
POMPA PRODUK
PENAMPUNG DRAIN
FILTRAT
Gambar 4. Rangkaian rotary drum filter b. Alat pendukung : (1) Beaker glass berkapasitas 1 liter atau lebih. (2) Ember plastik (3) Cawan penguap, 10 buah (4) Piknometer (5) Viskometer (6) Stopwatch, 2 buah c. Bahan : (1) Air kran dan rajangan kertas sebagai bahan feed (2) Kain sari atau sejenisnya sebagai medium filter 3.2 Prosedur Kerja a. Pembuatan Slurry, hanya dilakukan jika bahan belum tersedia (1) Masukkan rajangan kertas ke tangki bahan sesuai perintah Pembimbing (2) Masukkan air kran sampai batas atas tangki (3) Jalankan pengaduk dalam tangki sampai rajangan kertas hancur menjadi suspensi b. Persiapan (1) Pastikan bahwa semua pipa telah tersambung, listrik telah terhubung, dan valve dalam kondisi yang diinginkan. Jika dipakai pompa vakum lokal, pastikan salurannya telah tersambung dengan bak berisi air es. Periksa dan pastikan sistim perpipaan telah tersambung dengan baik. (2) Ukur keliling drum dan lebar screen, jika belum terukur (3) Jalankan pompa feed, sampai tangki penampung slurry terisi sampai batas saluran pelimpah, kemudian hentikan pompa feed ini (4) Ukur keliling drum atau panjang screen yang tercelup ke dalam slurry, jika belum terukur. Ukur juga panjang dead zone.
(5) Basahi seluruh bagian screen dengan cara menjalankan drum sesuai skala yang diperintahkan Pembimbing, sampai drum berputar 3 kali. Sambil melakukan langkah ini, lakukan pengukuran periode putaran drum (tc). c. Operasi Rotary Drum Filter (1) Jalankan pompa feed (2) Jalankan drum pada skala yang ditugaskan (3) Nyalakan tombol pompa vakum yang sekaligus menjalankan pompa produk (4) Catat awal filtrat masuk ke tangki produk dengan stopwatch I. Catat waktu awal cake menyentuh pisau dengan stopwatch II. (5) Amati ketinggian filtrat yang tertampung di tangki produk dan catat waktu yang dibutuhkan dengan stopwatch I d. Shut down dan persiapan untuk run berikutnya (1) Matikan tombol pompa vakum, kemudian segera matikan pompa feed (2) Tunggu sampai cake terkelupas semua, catat waktu dengan stopwach II pada saat cake terakhir tergesek oleh pisau (3) Matikan putaran drum (4) Ambil sample berupa slurry dan cake setelah yakin alat sepenuhnya mati (5) Kembalikan cake dan filtrat ke dalam tangki produk 3.3 Data yang diambil a. Kondisi alat Lakukan pengukuran keliling drum, lebar screen, panjang busur drum yang tercelup ke dalam slurry, panjang dead zone dan lihat di label yang terdapat dalam tangki produk untuk mengetahui kesetaraan 1 cm ketinggian filtrat dengan volume filtrat. Catat juga tekanan operasi yang dapat dicapai. Masukkan hasil pengukuran dan pencatatan ini dalam lembar data. b. Hubungan antara volume filtrat dengan time cycle (1) Pada saat membasahi medium dengan melakukan putaran tanpa vakum, catat waktu yang diperlukan untuk menempuh satu putaran penuh, sesuai dengan skala putaran yang ditugaskan. (2) Pada saat dilakukan pengoperasian rotary drum filter, segera setelah penyalaan tombol pompa vakum yang sekaligus menjalankan pompa produk, lakukan pengamatan waktu total (t) yang diperlukan untuk mencapai ketinggian filtrat tertentu (Hfiktrat), dan catat dalam lembar data. c. Karakter filtrat Lakukan pengukuran massa jenis filtrat dan viskositas filtrat dengan metode yang standar. Jika filtrat berupa air, maka Pembimbing dapat mengarahkan untuk mengambil sifat air dari literatur. Catat dalam lembar data. d. Hubungan antara tebal cake dengan periode putaran (1) Catat selang waktu antara cake pertama menyentuh pisau sampai waktu terakhir menyentuh pisau dengan stopwatch II (sebagai tp) (2) Kumpulkan seluruh cake yang dihasilkan dan ukur volumenya (Vcake) e. Penentuan cs (1) Ambil sample slurry kira-kira ¼ sendok teh dalam cawan penguap, timbang beratnya. Masukkan sample ini ke dalam oven pemanas, dan timbang beratnya setelah 24 jam pemanasan (2) Ambil sample cake basah kira-kira ¼ sendok teh dalam cawan penguap, timbang beratnya. Masukkan sample ini ke dalam oven pemanas, dan timbang beratnya setelah 24 jam pemanasan
(3) Masukkan data ini dan lakukan perhitungan sesuai dengan tabel yang terdapat dalam lembar data
DATA PENGAMATAN
a. Kondisi alat (1) Keliling Drum (K)
= 1,633 m
(2) Lebar Screen (L)
= 0,395 m
(3) Filter Area = K x L
= 0,645 m2
(4) Panjang busur drum yang tidak tercelup ke dalam slurry (K’) = 1,10 m (5) Fraksi Drum yang tercelup = K/K’
= 1,484
(6) Panjang dead zone (Ldz)
= 0,13 m
(7) Tekanan operasi (-ΔP) : 0.34 bar
= 34 000 Pascal
(8) 1 cm tinggi filtrat (Hfiltrat) setara dengan volume filtrat (V) 2,28 x 10 -3 m3
b. Hubungan antara volume filtrat dengan time cycle RUN SKALA PERIODE*) Nomor Hfiltrat Data (cm)
1 2 3 2 3 4 30 detik 22 detik 17 detik Waktu pengisian tangki filtrat (detik)
1
5
276
250
236
2
10
424
385
365
3
15
602
588
571
4
20
765
738
706
5
25
928
920
914
6
30
1094
1082
1067
*) Waktu yang ditempuh untuk menyelesaikan satu putaran drum dalam satuan detik
d. Hubungan antara tebal cake dengan periode putaran RUN
1
2
3
Waktu pengolahan (tp, detik) Volum total cake (Vcake, m3)
1120
1106
1096
0,75 x 10-3
0,75 x 10-3
0,75 x 10-3
e. Karakter filtrat Air pada suhu operasi 25 oC, tekanan 1 atm mempunyai massa jenis (ρ) sebesar 997 kg/m3 dan viskositas (μ) sebesar 0,8947 Pa.s
f. Penentuan cs 5.6829 RUN
1
2
Berat basah slurry (gram)
21,73
Berat kering slurry (gram)
0,124
cx
5,7 x 10-3
3
Berat basah cake (gram)
1,51
1,51
1,51
Berat kering cake (gram)
0,2784
0,1794
0,2176
m
5,424
8,417
6,94
cs
5,86
5,97
5,917
Cs rata-rata
PENGOLAHAN DATA Dari tabel b dapat diperoleh :
5,9157
Untuk mencari hambatan spesifik cake (α) RUN Ф (m/s) 1 0.0000625 2 0.0000632 3 0.0000641
Ф2 (m2/s2) 3.90625 x 10-9 3.99424 x 10-9 4.10881 x 10-9
1/Ф2 256000000 250360519 243379470
tc (s) 30 22 17
Diperoleh gradien dari grafik hubungan antara 1/Ф2 dengan tc diperoleh sebesar 946 077 s/m2 yang dimanan nilai tersebut sama dengan nilai dari α / Z.
2. f .( P ) .c S
Z =
= [(2)( 1,484)(34 000 kg/ms2)] / (0,8947 x 10-3 kg/ms)( 5,9157 kg/m3) = 19 065 984 m3/kg s 946 077 s/m2
=α/Z
(946 077 s/m2)(19 065 984 m3/kg s) = α Maka didapat α sebesar 1,8 x 1013 m/kg
KESIMPULAN Cx diperoleh sebesar 5,7 x 10-3 kg solid/kg slurry Cs diperoleh sebesar 5,9157 kg solid/m3 volume filtrat Diperoleh α (hambatan spesifik cake /specific cake resistance) sebesar 1,8 x 1013 m/kg
Daftar Pustaka : 1. Geankoplis, Christie.J, 1983, “Transport Process and Unit Operation”, Ally and Bacon,Inc, United State of America 2. Rousseau Ronald W, 1987, “Handbook of Separation Process Technology”, John Willey & Son, Inc, Canada 3. “Perry’s Chemical Engineering Handbook”, 5th ed. 4. Praktikum Unit Operasi, PEDC.
LAPORAN PRAKTIKUM SATUAN OPERASI ROTARY DRUM FILTER Dosen Pembimbing : Ir. Emmanuela
Disusun Oleh : Deny asfian (07401068) Neneng Irma Riskandari (07401077) Sanny Febriany (07401083)
Laboratorium Satuan Operasi
Jurusan Teknik Kimia
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2009
