Operasi teknik kimia (Filtrasi)

Filtrasi



3.1 Prinsip Dasar Filtrasi
Filtrasi merupakan sebuah contoh khusus dari suatu aliran fluida yang melalui media berpori, telah dibahas pada bagian sebelumnya, dimana hambatan/tahanan terhadap aliran fluida konstan besarnya. Dalam filtrasi, hambatan terhadap aliran fluida meningkat bersama bertambahnya waktu operasi, karena tersumbatnya media penyaring atau karena terbentuknya filter cake. Selama proses filtrasi berlangsung, hal yang dapat terjadi adalah laju alir fluida semakin lama semakin berkurang atau hilang tekan semakin bertambah. Pada constant-pressure filtration hilang tekan dijaga agar konstan dan laju alir semakin lama semakin berkurang. Sedangkan pada constant-rate filtration, hilang tekan semakin lama akan semakin besar.
Persamaan umum bagi constant-pressure filtration diturunkan oleh Herman dan Bredee (1935).
V = volume filtrat yang terkumpul
k1, n = konstanta
Dalam clarification filtration n berharga 2, 3/2, atau 1, tergantung pada mekanisme pengumpulan partikel. Sedangkan bagi cake filtation, n = 0.

3.2. Clarification
Bila partikel padat yang akan dipisahkan menyumbat pori-pori media, dengan laju penyumbatan tersebut konstan, maka mekanisme tersebut disebut direct sieving, dan n pada persamaan (1) dan (2) berharga 2. Direct sieving jarang dijumpai, yang lebih sering ditemui adalah partikel menyumbat sebagian pori media sehingga menyebabkan secara perlahan berkurangnya ukuran pori-pori media , hal ini disebut dengan standard blocking, dengan n = 3/2. Terkadang selama peralihan antara clarification dan pembentukan cake terdapat perioda dimana n = 1, yang disebut dengan intermediate blocking.
Standar blocking adalah mekanisme yang umum dalam clarifying filter. Dengan n = 1 integrasi persamaan (1) memberikan persamaan berikut, yang berlaku bagi constant-pressure filtration.
q = dV/t, laju alir volumetrik yang melalui filter
q0 = laju alir pada t = 0
Ks = konstanta yang nilainya sebanding dengan
Plot t/V terhadap t akan linier bila mengikuti mekanisme standard blocking. Besarnya slope garis lurus tersebut adalah Ks dan intersept 1/qo.

Cake Filtration
Pada proses cake filtration, cairan melalui dua hambatan secara seri, yaitu cake yang terbentuk dan media penyaring. Hambatan media penyaring, penting hanya pada saat awal tahap operasi. Hambatan cake belum terdapat pada saat awal operasi, dan akan meningkat pada saat proses telah berjalan.
Hilang tekan keseluruhan pada suatu saat adalah penjumlahan dari hilang tekan pada medium dan cake. Jika pa adalah tekanan pada titik umpan masuk, pb tekanan pada titik keluaran, dan p’ tekanan pada lapis batas antara cake dan medium.

Hilang Tekan Pada Filter Cake

Gambar penampang melintang media penyaring dan cake yang memperlihatkan gradien tekanan tesebut memperlihatkan diagram aliran yang melalui cake dan medium penyaring pada saat t, yang dihitung dari saat filtrat mulai mengalir. Luas permukaan filter adalah A dan pada saat itu ketebalan cake adalah Lc. Lapisan tipis cake yang terbentuk memiliki tebal dL - yang berjarak L dari medium - dan tekanan pada titik ini adalah p. Lapisan ini terdiri dari unggun tipis partikel padat. Dalam filter bed, kecepatan cukup rendah sehingga pola aliran dapat dianggap laminer. Karenanya, untuk menghitung hilang tekan dapat digunakan persamaan.

Karena filtrat harus melalui keseluruhan cake, V/A sama besarnya untuk seluruh lapisan dan u bukan merupakan fungsi dari L.
Bagi incompresible cake atau cake yang tak termampatkan, d bukan merupakn fungsi dari hilang tekan dan kedudukan dalam cake.
Kebanyakan cake yang ditemui dalam industri tidaklah terdiri dari partikel yang rigid. Umumnya slurry merupakan campuran dari agglomerat, atau floc/gumpalan yang terdiri dari kumpulan partikel yang sangat kecil hingga hambatan cake akan lebih tergantung pada sifat dari floc dibandingkan pada geometri partikel. Floc yang terkumpul pada bagian terdepan dari cake akan membentuk jalinan saluran yang rumit sehingga akan kurang tepat bila digunakan. Floc yang terbentuk dapat berubah dan rusak susunannya oleh gaya yang bekerja pada cake tersebut, dan besarnya d, k3, sp/vp bervariasi di tiap lapisannya.
Filter seperti tersebut di atas disebut sebagai compresible cake. Harga d pada compresible cake bervariasi di tiap kedudukan, bervariasi terhadap hilang tekan, dan juga terhadap waktu. Karena itu tidak dapat begitu saja digunakan. Dalam prakteknya, pengaruh kedudukan dan waktu terhadap d biasanya dapat diabaikan. Nilai rata-rata d dapat diperoleh dari serangkaian percobaan bagi material yang akan di saring.

Hambatan Media Penyaring
Hambatan pada medium penyaring (filter-medium resistance)dengan dimensi dari Rm adalah L-1.Hambatan medium penyaring, Rm, merupakan fungsi dari hilang tekan, umur pakai, dan kebersihan dari filter medium tersebut. Namun umumnya Rm dianggap konstan selama operasi berlangsung.u (kecepatan linier filtrat) dan mc (massa total padatan dalam cake) dapat diganti menjadi fungsi V (volume total filtrat yang terkumpul saat t).menghubungkan u dengan V, dan neraca massa menghubungkan mc dan V. Jika c adalah massa partikel yang terkumpul dalam filter per satuan volume filtrat.

Persamaan Empiris Bagi Hambatan Cake (cake Resistance)
Variasi perubahan harga d terhadap dp dapat ditentukan berdasarkan percobaan yang dilakukan pada tekanan tetap, dengan memvariasikan hilang tekan. Bila d bukan merupakan fungsi dp, maka cake yang terbentuk termasuk kedalam incompresible cake. Umumnya harga d akan bertambah seiring dengan meningkatnya dp. Bagi cake yang sangat compresible, harga d meningkat dengan cepat seiring dengan bertambahnya dp.

dengan d0 dan s adalah konstanta empiris. Konstanta s disebut sebagai koefisien kompresibilitas, nilainya nol untuk sludge incompresible dan berharga positif untuk sludge yang compresible. Biasanya nilai s berkisar antara 0,2 sampai 0,8.tidak dapat digunakan dalam rentang hilang tekan yang berbeda dari rentang hilang tekan yang digunakan dalam percobaan untuk mendapatkan harga d0 dan s.

3.3. Filtrasi Kontinyu.
Dalam filter kontinu, misalnya pada rotary – drum filter, umpan, filtrat, dan cake bergerak dalam laju yang konstan. Sebagai contoh, kain penyaring pada suatu saat memasuki tempat penampung slurry, selanjutnya cake yang terbentuk diambil, dan kain penyaring selanjutnya dicuci. Hal ini menunjukkan bahwa proses penyaringan terdiri dari sekumpulan tahap yang berlangsung secara berurutan - pembentukan cake, pencucian, pengeringan, dan pelepasan cake . Hilang tekan sepanjang filter selama pembentukan cake, dianggap konstan. Sehingga dengan sejumlah modifikasi, persamaan bagi fltrasi diskontinyu pada tekanan tetap dapat digunakan pada filtrasi kontinyu ini.Tahan medium penyaring Rm terdapat dalam persamaan karena tidak seluruh cake terambil oleh mekanisme pelepasan dan terbawa kembali dalam proses berikutnya. Bila filter dicuci setelah cake diambil, Rm dapat diabaikan.



Persamaan medium penyaring Rm dapat digunakan baik pada continuous vacuum filter atau pada continuous pressure filter. Bila Rm diabaikan, dari persamaan terlihat bahwa laju alir filtrat berbanding terbalik dengan akar kuadrat viskositas dan waktu siklus. Hal ini sudah dibuktikan dengan serangkaian percobaan pada keadaan cake yang terbentuk cukup tipis dan waktu siklus yang lama. Bila waktu siklus pendek, tidaklah tepat menggunakan persamaan (3.30), lebih sesuai bila digunakan persamaan (3.29). Secara umum laju filtrasi meningkat seiring dengan meningkatnya laju putaran drum dan berkurangnya waktu siklus. Ini disebabkan karena cake yang terbentuk pada permukaan drum lebih tipis dibandingkan cake yang terbentuk pada kecepatan drum yang rendah. Bila kecepatan mencapai harga diatas titik kritis tertentu, laju filtrasi tidak akan meningkat terhadap kecepatan tetapi akan konstan, dan cake cenderung menjadi basah sehingga sukar untuk diambil.


Filtrasi Laju Konstan (Constant-Rate Filtration)
Dalam sejumlah kasus, filtrasi lebih sering berlangsung pada kondisi laju konstan. Hal ini dapat terjadi bila slurry diumpankan menuju filter dengan menggunakan pompa positive displacement.Pada operasi ini, diasumsikan cake bersifat incompresible sehingga KV dan C konstan. Sedangkan bila harga d tidak konstan.