fil filtrasi

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

-1/24-

MODUL 1.04 Filtrasi

I. Pendahuluan

Proses filtrasi bertujuan memisahkan padatan dari campuran fasa cair dengan

driving force perbedaan tekanan sehingga mendorong fasa cair melewati lapisan suport

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

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

sampingnya. Prosedur filtrasi sederhana dapat diterapkan langsung pada benda padat

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

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

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

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

memisahkan mikroorganisme dari medium fermentasinya. Pada proses-proses pemisahan

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

lebih praktis, cepat, dan kualitas produk tidak terdegradasi.

Pada umumnya, penerapan teknologi filtrasi pada industri kimia telah banyak

mengalami modifikasi. Modifikasi ini terutama dilakukan untuk memperbaiki sifat dan

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

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

akan membentuk ageregat yang semakin lama semakin besar sehingga mudah dilepas

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

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

flow yang besar.

Dengan melaksanakan praktikum ini, praktikan akan memahami bagaimana

proses filtrasi konvensional dilaksanakan. Pada teknologi filtrasi konvensional,

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

ini umumnya melibatkan padatan tak terdeformasi yang berukuran relatif besar.

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

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

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



Modul 1.04 Filtrasi Halaman 2 dari 24

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

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

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

II. Tujuan

Tujuan pelasanaan praktikum Modul Filtrasi adalah:

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

dengan perolehan filtrat

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

operasi penyaringan

III. Sasaran

Berkenaan dengan tujuan praktikum, praktikan diharapkan dapat:

1. Menentukan persamaan penyaringan pada tekanan tetap.

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

3. Menentukan pengaruh tekanan terhadap tahanan spesifik padatan dan kekeringan

padatan.

IV. Tinjauan Pustaka

IV.1 Peralatan Proses Filtrasi Konvensional

Peralatan untuk proses filtrasi konvensional sangat bervariasi, dari conventional

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

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

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

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

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

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

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

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




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

memiliki area filtrasi yang cukup luas per volumenya.

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

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

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

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

Gambar 2 Skema Rotary Vaccum Filter

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

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

banyak dilengkapi sarana otomatis sehingga tenaga manual yang dibutuhkan tidak

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

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

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

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

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

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

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

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

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

disainnya bergantung jenis cake.




IV.2 Filtrasi Cake

Medium filter pada filtrasi cake relatif tipis dibandingkan dengan filter

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

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

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

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

Cake tersebut terakumulasi sampai ketebalan tertentu pada permukaan dan sewaktu-

waktu harus dibersihkan.

Filter cake biasanya bekerja dengan tekanan lebih tinggi dari tekanan atmosfer

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

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

umumnya filter diopersikan secara batch.

IV.2.1 Medium Filter

Septum atau medium penyaring pada setiap filter harus memenuhi persyaratan

sebagai berikut:

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

cukup jernih

2. tidak mudah tersumbat

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

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

bersih

5. tidak mahal.

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

jenis kanvas dengan ketebalan dan pola anyaman tertentu juga memiliki kegunaan

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

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

seperti nilon, polipropilena, dacron juga tahan secara kimia.

IV.2.2 Bahan Aditif untuk Proses Filtrasi

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

impermeabel akan segera menyumbat medium filtrasi yang cukup halus untuk

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




Shell-and-leaf Filter

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

1. dapat digunakan untuk proses filtrasi tekanan tinggi

2. tenaga manusia yang diperlukan sedikit

3. hasil pencucian cake lebih efektif

Gambar 4 Tekanan tangki horisontal shell and leaf filter

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

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

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

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

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

pipa pembuangan.

Press Filter Continue

Filter ini biasanya memerlukan banyak tenaga manusia untuk operasinya. Untuk

mengatasinya digunakan tekanan vakum. Namun filter vakum juga terkadang kurang

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

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

IV.3 Perlakuan Awal Sebelum Proses Filtrasi

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

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

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

compressible sehingga cake dapat terdeformasi menjadi lapisan yang tidak




ε = fraksi kosong pada cake

IV.4.2 Filtrasi Batch

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

menjadi:

dtdV.

A1v = (3)

dimana:

V = total volume filtrat

t = waktu filtrasi

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

tahanan medium filter (RM), sehingga dapat ditulis:

CM RRkL

+= (4)

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

( )CM RRP

dtdV.

A1

+∆

=µ

(5)

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

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

difiltrasi.

Incompresible Cake

Jika cake bersifat incompresible, ketebalan cake berbanding lurus dengan volume

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

=

AV..R oC ρα (6)

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

filtrat. Dimensi α adalah panjang per massa.

Substitusi persamaan umum filtrasi menjadi:

+

∆=

AV..R

PdtdV.

A1

oM ραµ (7)




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

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

BAVK.

VAt

+

=

(8)

dimana: P

.RBdan P2.

..K Mo

∆=

∆=

µραµ

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

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

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

diabaikan, persamaan tersebut dapat disederhanakan lagi:

V. P2.

..t

2o

∆=

Aραµ

(9)

Compressibel Cake

Untuk mengestimasi efek faktor kompresibilitas, diasumsikan resistansi spersifik

α adalah fungsi dari ∆P menurut hubungan:

( )sP' ∆= αα (10)

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

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

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

nilai s besar umpan harus dipretreatment dengan penambahan filter aid.

IV.4.3 Filtrasi Kontinu

Teknologi filtrasi yang umum diterapkan dalam industri kimia adalah filtrasi

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

3 proses pokok yang terjadi:

1. pembentukan cake,

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

telah menjadi limbah,

3. pelepasan cake dari filter.




( )P∆

=

=

.AV..'R

AV..R

oC

oC

ρα

ρα




Dari persaamaan itu dapat disimpulkan bahwa pembentukan cake dapat dikendalikan

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

terbalik dengan akar tc.

V.4.3.2 Pencucian Cake

Setelah cake terbentuk dan terakumulasi dalam jumlah yang cukup banyak,

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

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

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

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

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

cake selanjutnya.

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

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

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

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

keseluruhan waktu siklus tc yang dibutuhkan untuk pencucian.

Fraksi material terlarut yang dapat ditoleransi berada dalam cake setelah

pencucian berhubungan dengan volume larutan pencuci yang dibutuhkan menurut

persamaan:

( )nε-1r = (17)

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

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

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

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

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

berapapun volume pencuci yang digunakan.

Larutan pencuci tidak mengandung padatan baru, sehingga laju alirnya dapat

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

ini dinyatakan dengan persamaan:

( )W

21

fo

s1W .t

.t2.µ.µ.α'∆P

AV

=

−

(18)




fn..2tt

VV.

VV.2

tt

VV.2

tt

f

W

f

r

r

W

f

W

f

W

f

W

=

=

=




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

medium filter biasanya dapat diabaikan.

Penurunan tekanan menyeluruh pada setiap waktu adalah jumlah dari penurunan

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

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

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

dimana:

∆p = penurunan tekanan keseluruhan

∆pc = penurunan tekanan pada cake

∆pm = penurunan tekanan pada medium

Penurunan Tekanan Melalui Cake

Gambar 5 menunjukkan diagram satu potongan cake filter dan medium filter

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

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

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

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

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

alirannya laminar.

Gambar 5 Penampang melalui medium filter dan cake

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

cake dapat digunakan persamaan:




.V∆P.A

α.µ.C∆P.A

µ.RdVdt

A.Vα.µ.Cµ.R.

A.dtdV∆P

)∆P()∆P(∆P

µ.R∆P

AV.α.µ.C

∆PA.dtdV

ε).µµ.(5.Sε.

.VCε).ρA.(1

.∆PA.dtdV

ε).ρA.(1.VC.ε).(1

A.dtdV.

ε5.S

L∆P

2sm

sm

mc

m

m

s

c

2o

3

s

pc

p

s23

2oc

−+

−=

+=

−+−=

−=

−=

−

−−=

−−=

− µ

Jika diturunkan dengan prosedur berikut:

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

maka akan diperoleh:

.V2

KB

Vt

∆P).A(µ.RBdan

∆P).A(α.µ.CK

.V2

KB.Vt

p

m2

sp

2p

+=

−=

−=

+=

(35)

Persamaan tersebut adalah persamaan filtrasi pada tekanan tetap.

V. Rancangan Percobaan

V.1 Perangkat dan Alat Ukur

1. Satu unit peralatan filtrasi Plate and Frame Filter Press

2. Tangki Suspensi

3. Kompresor

4. Oven

5. Gelas Ukur

6. Stopwatch




V.5 Data Literatur

Data literatur yang dibutuhkan adalah:

V.5.1 Viskositas dan densitas air pada berbagai T

T (0C) µ (cP) ρ (kg/m3)

Sumber:

V.5.2 Koefisien Kompresibilitas (δ)

Jenis Cake Rentang δ

Compressible cake

Incompressibel cake

δ >0 ; 0,2 ≤ δ ≤ 0,8

δ = 0

V.6 Prosedur Perhitungan

V.6.1 Perhitungan Rasio Cake

Persamaan yang digunakan:

V.6.2 Perhitungan konsentrsi cake kering yang terakumulasi

Persamaan yang digunakan:

dimana Cx = fraksi massa padatan dalam slurry

ρ = densitas filtrat

V.6.3 Perhitungan resistansi spesifik bahan

Persamaan yang digunakan :

V.6.4 Perhitungan resistansi spesifik medium (Rm)

kering cakeberat basah cakeberat m =

x

xs m.C1

ρ.CC−

=




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

0.0145 189 13034.483 0.015 196 13066.667

0.0155 204 13161.290 0.016 213 13312.500

0.0165 223 13515.152 0.017 232 13647.059

0.0175 242 13828.571 0.018 253 14055.556

0.0185 266 14378.378 0.019 276 14526.316

0.0195 290 14871.795 0.02 304 15200.000

0.0205 316 15414.634 0.021 329 15666.667

0.0215 343 15953.488 0.022 357 16227.273

0.0225 370 16444.444 0.023 383 16652.174

0.0235 397 16893.617 0.024 413 17208.333

0.0245 427 17428.571 0.025 441 17640.000

0.0255 456 17882.353 0.026 470 18076.923

0.0265 484 18264.151 0.027 499 18481.481

0.0275 516 18763.636 0.028 532 19000.000

0.0285 548 19228.070 0.029 564 19448.276

0.0295 581 19694.915 0.03 598 19933.333

0.0305 613 20098.361 0.031 629 20290.323

0.0315 646 20507.937 0.032 665 20781.250

0.0325 680 20923.077 0.033 695 21060.606

0.0335 711 21223.881 0.034 730 21470.588

0.0345 743 21536.232 0.035 759 21685.714

0.0355 777 21887.324 0.036 795 22083.333




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

0.0375 855 22800.000 0.038 876 23052.632

0.0385 899 23350.649 0.039 923 23666.667

0.0395 946 23949.367 0.04 968 24200.000

0.0405 989 24419.753 0.041 1013 24707.317

0.0415 1059 25518.072 0.042 1167 27785.714

Grafik Karakteristik Proses Filtrasi tersebuat adalah:

Kurva Filtrasi

y = 397607x + 7885.9R2 = 0.97

0.000

5000.000

10000.000

15000.000

20000.000

25000.000

30000.000

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045

V (m3)

t/V (d

et/m

3)

Dari grafik tersebut didapat persamaan:

9.7885*397607Vt

+= V

Dari hubungan:

V terhadapvtgrafik slope

2K

dimana

µ.C∆P).(.A K

α

p

s

2p

=

−=

∆P*AR*µ

q1adalah sebut grafik terIntercept m

0=

fil filtrasi

Documents