Laporan Praktikum Proses Unit Operasi Teknik I: Filtrasi

Laporan Praktikum Proses Unit Operasi Teknik I Filtrasi Oleh Kelompok 21 Teknik Kimia Ranti Fabrianne (11) Rizqi Pandu Sudarmawan (0906557045) Stella Lydia (11) Yan Aulia Ardiasnyah (12)

Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia Jurusan Teknik Kimia Depok 2013

MODUL FILTRASI November 15, 2013

DAFTAR ISI Kata Pengantar............................................................................................................................. BAB 1. Pendahuluan.................................................................................................................... BAB 2. Teori Dasar...................................................................................................................... BAB 3. Prosedur & Hasil Percobaan........................................................................................... BAB 4. Pengolahan Data............................................................................................................ BAB 5. Analisa & Kesimpulan.................................................................................................. Daftar Pustaka..............................................................................................................................

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

1

MODUL FILTRASI November 15, 2013 KATA PENGANTAR

Puji syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas segala kehendak-Nya, kami dapat menyelesaikan laporan akhir praktikum ini. Laporan ini disusun sebagai salah tugas mata kuliah praktikum unit operasi teknik dan merupakan usaha kami untuk memaparkan kepada warga Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia mengenai hasil praktikum yang sudah kami lakukan. Pengerjaan laporan akhir ini merupakan hasil usaha bersama dan atas dorongan dan bimbingan yang diberikan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, kami mengucapkan terima kasih kepada dosen pembimbing praktikum modul filtrasi, beserta pihak lain yang tidak bisa kami sebutkan satu persatu. Kami menyadari pula bahwa dalam penyusunan laporan ini masih jauh dari sempurna. Semoga apa yang telah kami tuliskan dapat bermanfaat bagi pembaca, sekaligus dapat menambah wawasan pembaca terhadap permasalah seputar proses pemisahan secara filtrasi. Kami mohon maaf apabila dalam penyajian laporan ini belum dapat memuaskan pembaca. Kritik dan saran yang membangun sangat ditunggu untuk melengkapi kekurangankekurangan yang ada dalam laporan ini.

Depok, 15 November 2013

Kelompok 21

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

2

MODUL FILTRASI November 15, 2013 BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Filtrasi merupakan bagian penting dalam proses operasi. Filtrasi sendiri adalah suatu proses pemisahan zat padat terhadap zat cair dari suatu slurry (larutan yang mengandung padatan / lumpur pengotor) dengan menggunakan media porous, yang meneruskan zat cairnya serta menahan padatannya, sehingga zat padat tersebut (cake) bekerja sebagai media porous yang baru. Filtrasi dilakukan untuk pemurnian (purification) produk yang dihasilkan pada industry migas, makanan, pengolahan air minum, dan PAM. Filtrasi juga dilakukan untuk mengolah limbah sebelum dibuang ke lingkungan. Melalui percobaan ini, kita ingin mengetahui prinsip sederhana filtrasi yang dapat diaplikasikan pada filtrasi yang lebih kompleks pada skala industry dengan menggunakan filter press. I.2. Tujuan Percobaan 1. Untuk melakukan uji coba (test) filtrasi pada tekanan konstan dengan menggunakan Filter Press kecil agar metode uji coba dapat dikuasai; dan untuk observasi mekanisme pemisahan solid-liquid. 2. Untuk menguji persamaan (filtrasi dari) Ruth dan Lewis, dan menentukan konstantakonstanta yang ada dalam persamaan tersebut. 3. Untuk mengukur / menentukan jumlah filtrat per unit waktu, pada filtrasi larutan slurry pada tekanan konstan. I.3. Prinsip Kerja Mengalirkan larutan slurry (campuran air dan tepung) dengan pompa melewati filter press yang berupa lapisan-lapisan plate dan frame, dengan menjaga tekanan operasi pada kondisi yang konstan. Kemudian, mengukur volume filtrat per 2 menit selama 20 menit. Operasi dilakukan pada tekanan 0,1 psig dan 0,2 psig.

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

3

MODUL FILTRASI November 15, 2013 BAB II TEORI DASAR II.1. Pengertian Filtrasi Filtrasi adalah suatu proses pemisahan zat padat terhadap zat cair dari suatu slurry dengan menggunakan media porous, yang meneruskan zat cairnya serta menahan padatannya, sehingga zat padat tersebut (cake) bekerja sebagai media porous yang baru. Berdasarkan prinsip kerjanya, filtrasi dapat dibagi menjadi tiga bagian, yaitu: 1. Pressure filtration, filtrasi yang pengaliran bahannya menggunakan tekanan. 2. Gravity filtration, filtrasi yang pengaliran bahannya didasarkan pada gaya beratnya sendiri. 3. Vaccum filtration, filtrasi yang pengaliran bahannya dilakukan dengan prinsip penghampaan (penghisapan). II.2. Media Filter Pada operasi filtrasi, umumnya dikenal dua macam media filter, yaitu: 1. Media filter primer Media filter primer sebenarnya bukan suatu media filter yang sesungguhnya, melainkan sebagai media filter pembantu yang menahan zat padat pada permulaan proses. Media filter primer ini dapat berupa kain, kertas saring, dan sebagainya, yang dipasang pada permukaan filter. 2. Media filter sekunder Zat padat yang tertahan di permukaan filter membentuk lapisan cake yang dapat berfungsi sebagai media filter yang sesungguhnya. Media filter inilah yang merupakan media filter sekunder. Tebal cake perlu diperkirakan/diperhitungkan karena akan mempengaruhi besarnya penahan filtrasi. Filtrasi dapat dianggap dimulai dengan penahanan sama dengan nol, yang berarti belum terbentuk cake. Dalam hal ini, perlu dihitung suatu besaran Ve (volum ekivalen), yang merupakan volum filtrat yang menghasilkan cake yang mempunyai penahanan sama dengan filter cloth (media filter primer) serta saluran-saluran dalam filter yang dipakai untuk penyaringan. II.3. Jenis-jenis Cake Cake dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu: 1. Compressible cake, yaitu cake yang mengalami perubahan stuktur dalam oleh adanya tekanan (ruang porous dalam cake mengecil, tahanan filtrasi makin besar). Hal ini mengakibatkan proses filtrasi menjadi semakin sulit. Peristiwa ini terjadi terutama bila bahan yang disaring berbentuk kolodial. TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

4

MODUL FILTRASI November 15, 2013 2. Non compressible cake, yaitu cake yang tidak mengalami perubahan struktur walaupun diadakan penekanan terhadapnya. Dalam praktek, non compressible cake ini tidak ada, tetapi untuk mempermudah perhitungan diadakan pendekatan dengan memakai rumusrumus yang berlaku untuk non compressible cake. II.4. Persamaan Routh dan Lewis Rumus-rumus yang digunakan dalam percobaan ini adalah: 1. Persamaan Routh Jika filtrasi dilakukan pada ∆P konstan, maka hubungan antara waktu tertentu t (detik) dengan total volum filtrat Vf (cm3) yang terkumpul selama waktu t, dapat diekspresikan dalam persamaan: ................................................................................. (1) Dengan: J dan h adalah konstanta yang dicari dari percobaan. Persamaan lain yang menggambarkan hubungan antara t dan Vf adalah: ...........................................................................................(2) Dengan:

μ = viskositas Rf = tahanan filter cloth

 = tahanan spesifik cake, m/kg C = berat solid/volum liquid, kg/m3 A = luas permukaan filter 2. Persamaan Lewis .................................................................................(3) Dengan: n, m, dan K adalah konstanta yang ditentukan oleh percobaan. II.5. Pengoperasian Peralatan Filtrasi Filter pada filtrasi memisahkan padatan dari liquid dengan jumlah relatif besar sebagai suatu cake atau lumpur. Seringkali, alat penyaring ini dilengkapi dengan peralatan untuk membersihkan cairan dari padatan sebelum dibuang. Proses pengoperasiannya sebagai berikut : 1. Pada permulaan filtrasi, beberapa partikel padat yang memasuki medium pori tertahan dan dengan segera mulai terkumpul di permukaan septum. 2. Setelah periode awal ini, padatan mulai terfiltrasi; padatan tersebut mulai menebal di permukaan dan harus dibersihkan secara periodik. Kecuali dilengkapi dengan kantong

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

5

MODUL FILTRASI November 15, 2013 penyaring untuk pembersih gas, penyaring umumnya hanya digunakan untuk pemisahan padat-cair. 3. Penyaring dapat dioperasikan dengan tekanan di atas atmosfer pada aliran atas medium penyaring atau tekanan vakum pada aliran bawah. II.6. Mesin Press Bersaringan (Filter Press) Suatu mesin press bersaringan berisi satu set plat yang didesain untuk menyediakan serangkaian ruang atau kompartemen untuk mengumpulkan padatan. Plat-plat tersebut dikelilingi oleh medium penyaring seperti kanvas. Lumpur / cake dapat mencapai tiap-tiap kompartemen dengan tekanan tertentu, kemudian cairan akan mengalir melalui kanvas dan keluar ke pipa pembuangan, meninggalkan padatan cake basah. Plat dari suatu mesin press bersaringan dapat berbentuk persegi atau lingkaran, vertikal atau horizontal. Kebanyakan kompartemen padatan dibentuk dengan plat polipropelina. Dalam desain lain, kompertemen tersebut dibentuk di dalam cetakan plat ber-bingkai (plate-and-frame press), yang didalamnya terdapat plat persegi panjang, dimana pada satu sisi dapat diubahubah. Pengoperasiannya sebagai berikut : 1. Plat dan bingkai dipasang pada posisi vertikal dalam rak logam dengan kain mengelilingi permukaan setiap plat, kemudian ditekan dengan keras bersamaan dengan memutar skrup hidraulik. 2. Lumpur memasuki suatu sisi akhir dari rangkaian plat dan bingkai. 3. Lumpur mengalir sepanjang jalur pada satu sudut rangkaian tersebut. 4. Jalur tambahan mengalirkan lumpur ke dalam setiap bingkai. 5. Padatan akan tertahan dan mengendap di atas kain yang menutupi permukaan plat. 6. Cairan menembus kain, menuruni jalur pada permukaan plat (corrugation), dan keluar dari mesin press.

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

6

MODUL FILTRASI November 15, 2013

Gambar 1. Filter Press

Gambar 2. Skema Peralatan Penyaring Plate dan Frame

Gambar 3. Aliran slurry dan filtrat di dalam plat dan bingkai TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

7

MODUL FILTRASI November 15, 2013

BAB III PROSEDUR & HASIL PERCOBAAN III.1 Prosedur Percobaan A. No. 1.

2.

3.

4.

B. No. 1.

2.

3. 4.

5.

6.

PERSIAPAN Prosedur Percobaan Membuka plate dan frame dengan memutar roda penekan (handle), memasukkan kertas saring atau filter cloth pada masing – masing frame dengan teratur dengan meluruskan lubang – lubang frame nya. Memberi rubber packing diantara plate dan frame, kemudian menutup kembali dengan megencangkan handle.

Menutup kran 1 (drain valve), memasukkan slurry yang telah dibuat dengan konsentrasi tertentu. Mengaduk slurry tersebut secara kontinu agar konsentrasi slurry tetap uniform.

Keterangan Urutan memasukkan ke dalam filter chamber adalah sebagai berikut : Rubber  filter cloth  plate  rubber  filter cloth  frame. Proses menutup filter chamber dengan mengencangkan handle harus dilakukan hingga benar – benar kencang. Hal tersebut dilakukan agar tidak terdapat air yang keluar melalui celah – celah kosong terutama bagian atas. Slurry dibuat menggunakan bubuk kalsium karbonat 500 gram dengan air kira – kira 6 L. Pengadukan dilakukan didalam tangki reservoar dan pengadukan dilakukan secara terus – menerus.

PERCOBAAN Prosedur Percobaan Membuka return valve (V-2) dan menutup feed valve (V-3), kemudian menghidupkan pompa sehingga terjadi resirkulasi larutan diantara reservoar dan pompa. Membuka V-3, membuang dan menghilangkan udara di dalam filter press. Mengatur V-3 untuk menjaga tekanan tetap konstan. Meletakkan ember di bawah V-4 (filtrat delivery valve). Menjaga tangki reservoar agar tidak betul – betul kosong dengan cara menyiram dengan hati – hati larutan slurry dalam tangki reservoar, dan untuk meyakinkan mematikan pompa sebelum tangki betul – betul kosong. Mengatur V-3 selama percobaan untuk mendapatkan tekanan yang konstan. Dan menutup V-2 selama percobaan. Mencatat waktu tertentu selama filtrasi dengan

Keterangan

Tekanan yang digunakan adalah 0,1 kg/cm3 dan 0,2 kg/cm3. Untuk mengukur filtrat yang dihasilkan. Larutan slurry pada tangki reservoar sebaiknya dibuat dalam jumlah banyak sehingga tidak perlu melakukan penambahan lagi. Jika terjadi perubahan tekanan maka V-3 harus diatur sedemikian rupa hingga tekanannya kembali pada nilai yang ditentukan. Pencatatan nilai Vf dilakukan pada selang

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

8

MODUL FILTRASI November 15, 2013

7.

8.

III.2

menggunakan stopwatch dan mengukur volume waktu 2 menit pada total keseluruhan filtrat (Vf) yang tertampung pada masing – waktu 20 menit. masing waktu tersebut. Ketia pompa dimatikan, akan terdapat raw liquid yang tertinggal dalam pompa, tangki reservoar dan pipa. Cairan sisa tersebut merupakan satu liquid yang tidak terfilter. Mengulangi percobaan diatas pada tekanan yang berbeda.

Hasil Percobaan Tabel 1. Data hasil percobaan

Vf (cm3)

t (menit)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

ΔP = 0,1 kg/cm3

ΔP = 0,2 kg/cm3

80 150 235 310 380 450 520 595 655 710

100 185 280 365 455 540 625 710 800 885

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

9

MODUL FILTRASI November 15, 2013

BAB IV PENGOLAHAN DATA Pada percobaan filtrasi ini, data yang didapatkan berupa volume filtrat (Vf) dengan memvariasikan nilai perbedaan tekanan atau pressure drop yaitu ∆P = 0,1 kg/cm2dan ∆P = 0,2 kg/cm2 yang diatur konstan dengan mengatur aliran feed ke dalam filter press yang digunakan. Volume filtrat (Vf) didapatkan dengan melihat berapa besar nilai volumenya setiap interval waktu 2 menit sampai menit ke 20 untuk masing-masing tekanan. Data yang didapatkan adalah sebagai berikut : Tabel 1. Data hasil percobaan

t (menit)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 2

Vf (cm3) ΔP = 0,1 kg/cm3

ΔP = 0,2 kg/cm3

80 150 235 310 380 450 520 595 655 710

100 185 280 365 455 540 625 710 800 885

0

A.

Persaman Routh, Percamaan Routh digunakan untuk mencari nilai konstanta h dan j. Persamaan Routh :

Persamaan diatas kemudian diturunkan untuk mendapatkan persamaan linear. Penurunannya sebagai berikut :

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

10

MODUL FILTRASI November 15, 2013

y

= m x + c

Dari persamaan linear diatas, maka kita dapat mengetahui nilai slope atau gradien (m) yaitu

dan nilai intersep (c) yaitu

dengan memplot grafik Vf terhadap

.

Dengan

mengetahui nilai-nilai tersebut, maka nilai konstanta dalam persamaan Routh yaitu j dan h dapat diperoleh. Berikut merupakan pengolahan data untuk mencari nilai konstanta persamaan Routh beserta grafiknya : Tabel 2. Pengolahan data hasil percobaan untuk persamaan Routh t (menit)

t (second)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200

ΔP = 0,1 kg/cm3

ΔP = 0,2 kg/cm3

Vf (ml)

t/Vf (sec/ml)

Vf (ml)

t/Vf (sec/ml)

80 150 235 310 380 450 520 595 655 710

1,5 1,6 1,5319149 1,5483871 1,5789474 1,6 1,6153846 1,6134454 1,648855 1,6901408

100 185 280 365 455 540 625 710 800 885

1,2 1,2972973 1,2857143 1,3150685 1,3186813 1,3333333 1,344 1,3521127 1,35 1,3559322

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

11

MODUL FILTRASI November 15, 2013 Grafik yang terbentuk saat tekanan 0,1 psi adalah sebagai berikut :

Grafik Vf terhadap t/Vf saat P = 0,1 psi 1.7 1.65 1.6 t/Vf y = 0.0002x + 1.5006 R² = 0.7515

1.55 1.5

Grafik Vf terhadap t/Vf saat P = 0,1 psi Linear (Grafik Vf terhadap t/Vf saat P = 0,1 psi)

1.45 0

200

400

600

800

Vf

Gambar 4.Grafik Vt terhadap

saat ∆P = 0,1 kg/cm2

y = 0,0002x + 1,5006

Dari persamaan linear yang didapatkan dalam grafik, maka kita dapat mencari nilai konstanta persamaan Routh yaitu j dan h. 

m = h =

= 0,0002 =

h = 5000



c =

= 1,5006

j =

=

j = 3751,5

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

12

MODUL FILTRASI November 15, 2013 Grafik yang terbentuk saat tekanan 0,2 psi adalah sebagai berikut :

Grafik Vf terhadap t/Vf saat P=0,2 psi 1.4 1.38 1.36 1.34 1.32 1.3 t/Vf 1.28 1.26 1.24 1.22 1.2 1.18

y = 0.0002x + 1.2393 R² = 0.7439 Grafik Vf terhadap t/Vf saat P=0,2 psi Linear (Grafik Vf terhadap t/Vf saat P=0,2 psi) 0

200

400

600

800

1000

Vf

Gambar 5. Grafik Vt terhadap

saat ∆P = 0,2kg/cm2

y = 0,0002x + 1,2393

Dari persamaan linear yang didapatkan dalam grafik, maka kita dapat mencari nilai konstanta persamaan Routh yaitu j dan h. 

m = h =

= 0,0002 =

h = 5000



c =

= 1,2393

j =

=

j = 3098,25 Dengan demikian, kita dapat menghitungan h dan j rata-rata ntuk mendapatkan nilai konstanta yang sesungguhnya.

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

13

MODUL FILTRASI November 15, 2013 h = h average = 5000 j = j average = 3424,88 Sehingga, persamaan Routh nya menjadi :

B.

Persaman Lewis, Persamaan Lewis digunakan untuk mencari nilai konstanta m dan n. Persamaan Lewis :

Persamaan diatas kemudian diturunkan untuk mendapatkan persamaan linear. Penurunannya sebagai berikut :

y

=

m x

+

c

dimana C = Dari persamaan linear diatas, maka kita dapat mengetahui nilai slope atau gradien (m) yaitu m dan nilai intersep (c) yaitu – log C dengan memplot grafik log Vf terhadap log t. Dengan mengetahui nilai-nilai tersebut, maka nilai konstanta dalam persamaan Lewis yaitu m dan C =

dapat diperoleh. Berikut merupakan pengolahan data untuk mencari nilai

konstanta persamaan Lewis beserta grafiknya :

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

14

MODUL FILTRASI November 15, 2013 Tabel 3. Pengolahan data hasil percobaan untuk persamaan Lewis t t ΔP = 0,1 kg/cm3 (minute) (second) Vf (ml) Log Vf Log t 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200

80 150 235 310 380 450 520 595 655 710

1,90309 2,176091 2,371068 2,491362 2,579784 2,653213 2,716003 2,774517 2,816241 2,851258

ΔP = 0,2 kg/cm3 Vf (ml)

Log Vf

Log t

100 185 280 365 455 540 625 710 800 885

2 2,267172 2,447158 2,562293 2,658011 2,732394 2,79588 2,851258 2,90309 2,946943

2,079181 2,380211 2,556303 2,681241 2,778151 2,857332 2,924279 2,982271 3,033424 3,079181

2,079181 2,380211 2,556303 2,681241 2,778151 2,857332 2,924279 2,982271 3,033424 3,079181

Grafik yang terbentuk pada saat tekanan 0,1 psi adalah sebagai berikut :

Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,1 psi 3.5 y = 1.0403x + 0.0997 R² = 0.9992

3 2.5 Log t

Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,1 psi

2 1.5

Linear (Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,1 psi)

1 0.5 0 0

1

2

3

Log Vf

Gambar 6. Grafik log Vf terhadap log t saat ∆P = 0,1 kg/cm2

log t = 1,0403 log Vf - 0,0997

y

=

m

x

+

c

Dari persamaan linear yang didapatkan dalam grafik, maka kita dapat mencari nilai konstanta persamaan Lewis yaitu m dan C. 

m =

= 1,0403

m = 1,0403 TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

15

MODUL FILTRASI November 15, 2013 

c = - log C = -0,0997 C = C = 1,258

Grafik yang terbentuk saat tekanan 0,2 psi adalah sebagai berikut :

Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,2 psi 3.5 y = 1.0497x - 0.0114 R² = 0.9997

3 2.5 Log t

Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,2 psi

2 1.5

Linear (Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,2 psi)

1 0.5 0 0

1

2

3

4

Log Vf

Gambar 7. Grafik log Vf terhadap log t saat ∆P = 0,2 kg/cm2

log t = 1,0497 log Vf - 0,0114

y =

m

x

+

c

Dari persamaan linear yang didapatkan dalam grafik, maka kita dapat mencari nilai konstanta persamaan Lewis yaitu m dan C. 

m =

= 1,0497

m = 1,0497 

c = - log C = -0,0114 C = C = 1,0266 Dengan demikian, kita dapat menghitungan m dan C rata-rata ntuk mendapatkan nilai

konstanta yang sesungguhnya. m = m average = 1,045 C = C average = 1,1423 TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

16

MODUL FILTRASI November 15, 2013 Dari persamaan Lewis, selain konstanta m, juga terdapat konstanta n. Untuk memperoleh nilai konstanta n tersebut, maka kita harus menurunkan persamaan Lewis kembali. Penurunannya adalah sebagai berikut :

y

=

m

x

+

c

Dari persamaan linear diatas, maka kita dapat mengetahui nilai slope atau gradien (m) yaitu -n dan nilai intersep (c) yaitu log

dengan memplot grafik log ∆P terhadap log t.

Dengan mengetahui nilai-nilai tersebut, maka nilai konstanta n dan dan

=

dalam

persamaan Lewis dapat diperoleh. Untuk menyelesaikan persamaan linear di atas, dibutuhkan nilai log t dan nilai log ∆P. Nilai ∆P yang digunakan dalam persamaan ini adalah ∆P = 1 dan ∆P = 0,2 sementara nilai t harus dihitung terlebih dahulu. Untuk menghitung nilai t, kita harus memisalkan satu nilai volume filtrat (Vf) untuk menentukan waktu yang dibutuhkan oleh filter press pada tekanan tertentu. Misalkan Vf = 1000 ml, maka :

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

17

MODUL FILTRASI November 15, 2013 Saat ∆P = 0,1

log t = 1,0403 log Vf - 0,0997 log t = 1,0403 log(1000) - 0,0997 log t = 3,0212 t = 1050,026

Saat ∆P = 0,2

log t = 1,0497 log Vf - 0,0114 log t = 1,0497 log(1000) - 0,0114 log t = 3,1377 t = 1373,093

Sehingga : Saat Vf = 1000 cm3 t (second) 1050,03 1373,09

∆P

log t

log ∆P

0,1 0,2

3,0212 3,1377

-1 -0,69897

Grafik yang terbentuk antara log delta P terhadap log t adalah sebagai berikut :

Grafik log delta P terhadap log t 3.16 3.14 3.12 3.1 y = -0.387x + 2.7507 3.08 R² = 1 3.06

Log t

Grafik log delta P terhadap log t Linear (Grafik log delta P terhadap log t)

3.04 3.02 3 -1.5

-1

-0.5

0

Log delta P

Gambar 8. Grafik log delta P terhadap log t

,7507

y

=

m

x

+

c

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

18

MODUL FILTRASI November 15, 2013 Dari persamaan linear yang didapatkan dalam grafik, maka kita dapat mencari nilai konstanta persamaan Lewis yaitu n dan β. 

m =

= -0,387

n = 0,387 

c = log β = 2,7507 β = β = 563,25

Menentukan nilai K



= K = K

=

A = luas penampang filtrat

= 0,018

= 10 cm x 10,5 cm = 105 cm2

Sehingga persamaan Lewisnya menjadi :

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

19

MODUL FILTRASI November 15, 2013

BAB V ANALISA & KESIMPULAN 5.1. Analisa Percobaan Percobaan ini bertujuan untuk melakukan uji coba filtrasi pada tekanan konstan dengan menggunakan filter press kecil dan untuk menentukan konstanta yang ada dalam persamaan Routh dan Lewis. Proses filtrasi sendiri bertujuan untuk memisahkan padatan dari campuran fasa cair dengan driving force perbedaan tekanan sehingga mendorong fasa cair melewati lapisan support pada medium filter. Pada percobaan ini digunakan air sebagai fasa cair dan bubuk kalsium karbonat sebanyak 500 gram sebagai fasa padat. Kalsium karbonat mendekati sifat cake yang ideal, yaitu noncompressible karena partikel tepung memiliki sifat keras dan ukurannya cukup besar. Zat padat yang sangat halus dan rapat yang membentuk cake akan segera tertahan oleh medium filtrasi yang memiliki pori-pori mikro. Reservoir yang digunakan adalah tangki yang dilengkapi dengan pengaduk dengan posisi center. Pengaduk disini berfungsi agar kondisi slurry selalu homogen dan tidak ada padatan yang mengendap. Jika konsentrasi tidak homogen dan sangat besar perbedaannya maka akan terbentuk cake di awal proses dan hal ini tidak sesuai dengan asumsi bahwa flitrasi dimulai dengan penahanan yang sama dengan nol dan rumus persamaan yang digunakan tidak dapat diaplikasikan. Dasar tangki memiliki celah di tengah yang digunakan sebagai saluran keluaran slurry. Slurry yang tadi dibuat dengan mencampurkan kalsium karbonat dan air dialirkan ke dalam filter press dengan menggunakan pompa, kemudian pompa mengalirkan slurry sampai pada frame dan plate. Frame dan plate dalam filter press ini disusun secara berselingan. Diantara plate dan frame dipasang rubber dan filter cloth. Pemasangan rubber dan filter cloth harus tepat karena sangat mempengaruhi laju alir filtrat dan proses pemisahan pada filter press. Dimana total peralatan dalam percobaan ini: 1 plate ujung, 5 frame, 4 plate dalam dan 1 plate penutup. Dengan urutan: plate ujung alat – rubber – cloth – frame – cloth – rubber – plate – rubber – cloth – frame – cloth – plate dan seterusnya – plate ujung yang berhubungan dengan handle. Handle ini harus ditutup sekencang mungkin saat plate dan frame telah disusun. Hal ini bertujuan agar tidak terjadi kebocoran filtrat melalui sela-sela frame. Pada susunan plate and frame terdapat 4 lubang berdiameter 1 cm di tiap bagian sudutnya. Lubang ini berguna sebagai tempat masuknya slurry. Guna alat-alat pada susunan itu: Rubber berfungsi untuk mencegah kebocoran, sedangkan cloth berfungsi untuk menyaring padatan dan merupakan media filter primer, sehingga cake akan terbentuk dan menempel pada TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

20

MODUL FILTRASI November 15, 2013 permukaan cloth. Cake yang terbentuk selanjutnya berfungsi sebagai media filter sekunder dimana slurry berikutnya yang melewati filter press akan dapat tersaring juga. Setelah slurry melewati proses filtrasi maka cake akan terbentuk dan filtrat yang keluar berupa air jernih, seperti pada filtrat yang kami peroleh pada percobaan. Percobaan filtrasi yang dilakukan kali ini sebanyak dua kali, yaitu pada ∆P = 0,1 kg/cm2 dan 0,2 kg/cm2 dengan konsentrasi slurry yang digunakan sama. Konsentrasi yang sama ini digunakan untuk menguji persamaan Routh dan Lewis dan mencari konstanta persamaan itu masing-masing. Data yang diambil sejumlah 10 untuk masing-masing takanan. Semakin lama proses filtrasi maka akan semakin sedikit filtrat yang dihasilkan. Hal ini disebabkan semakin banyaknya cake yang terbentuk dalam alat sehingga menghambat slurry yang melewati filter press sehingga laju alir slurry akan berkurang. Peristiwa ini terbukti dari pengamatan yang dilakukan. Perbedaan tekanan seharusnya berbanding lurus dengan banyaknya flitrasi yang dihasilkan. Fenomena ini disebabkan oleh adanya driving force yaitu perbedaan tekanan yang mendorong slurry, sehingga laju alir slurry akan semakin besar. Akan tetapi, data yang diperoleh justru sebaliknya. Hal ini mungkin disebabkan perbedaan tekanan yang diberikan cukup kecil, yaitu sebesar 0,1 kg/cm2, sedangkan cake yang terbentuk sudah banyak, sehingga dampak driving force kurang terhadap ketebalan cake. Selama proses berlangsung feed valve terus diatur untuk mendapatkan tekanan yang konstan. Tujuannya hanya untuk membuat satu variabel yang mempengaruhi jumlah flitrat, yaitu waktu. Pada percobaan valve V-2 di tutup karena untu menjaga laju alir dan tekanannya agar tidak terlalu lemah, sedangkan untuk menjaga tekanan di atur valve V-3. Valve V-3 di atur manual, karena laju alir dari slurry yang masuk ke dalam filter press tidak stabil. V-4 merupakan valve yang digunakan untuk mengeluarkan filtrat hasil filtrasi, pengaturan dari V4 sendiri yaitu konstan dengan mengatur bukaan agar filtrat yang keluar tidak terlalu deras, hal ini di karenakan untuk menjaga tangki resevoir agar tidak cepat habis slurrynya. 5.2 Analisa Hasil Praktikan melakukan pengambilan data berupa volume filtrat (Vf) yang keluar dari filtrate delivery valve pada interval waktu tertentu (t), dimana pada percobaan ini waktu yang ditentukan yaitu selama 20 menit untuk masing-masing tekanan. Setiap 2 menit volume filtrat diukur secara kontinyu sehingga didapatkan data sebanyak 10 kali pada tiap tekanan yang dijaga konstan pada pressure gauge (ΔP = 0,1 kg/cm2dan ΔP = 0,2 kg/cm2) atau didapatkan 20 data secara keseluruhan. Pengambilan data dengan waktu dan tekanan yang bervariasi ini dimaksudkan untuk mengamati perubahan jumlah volume filtrat yang terbentuk tiap perubahan waktu dan TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

21

MODUL FILTRASI November 15, 2013 tekanan. Data hasil pengukuran volume filtrate per unit waktu yang diperoleh ialah sebagai berikut. Tabel 1. Data hasil percobaan

Vf (cm3)

t (menit)

ΔP = 0,1

ΔP = 0,2

kg/cm3

kg/cm3

2

80

100

4

150

185

6

235

280

8

310

365

10

380

455

12

450

540

14

520

625

16

595

710

18

655

800

20

710

885

Berdasarkan data hasil percobaan di atas, dapat kita lihat adanya suatu pola dimana kenaikan volume filtrat per unit waktu (∆Vf) hasil filtrasi dapat dikatakan cenderung menurun atau konstan seiring dengan bertambahnya waktu serta laju filtrat yang dihasilkan juga semakin besar seiring dengan adanya kenaikan nilai tekanan yang diberikan. Hal ini dapat dibuktikan apabila kita membandingkan data volume filtrat per unit waktu pada waktu yang sama untuk kedua tekanan. Volume filtrat per waktu atau laju alir filtrat pada tekanan yang lebih tinggi yaitu pada ∆P = 0,2 kg/cm2a akan dihasilkan lebih banyak atau cepat dibandingkan dengan menggunakan tekanan sistem ∆P = 0,1 kg/cm2. Hal ini disebabkan semakin bertambahnya jumlah fitrat cake yang berupa compressible cake yang terbentuk seiring pertambahan waktu menyebabkan volume dan laju yang dihasilkan akan menurun atau berkurang ataupun cenderung konstan dengan rentang waktu yang sama. Dengan kata lain filtrat yang akan melewati filter pada rentang waktu akhir akan lebih sedikit karena telah terhalang oleh filtrate cake yang telah terbentuk seiring pertambahan feed dan waktu dibandingkan pada detik-detik awal percobaan karena pada saat itu cake baru akan mulai terbentuk.

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

22

MODUL FILTRASI November 15, 2013 Filtrate cake ini memiliki nilai penahanan yang sama dengan media filter primer (filter cloth) serta menjadi media filter sekunder (sesungguhnya) akibat adanya suatu penumpukan besaran volume ekivalen..Semakin lama waktu yang diberikan, maka besarnya kemampuan penahanan cake yang semakin tebal akan semakin besar pula sehingga jumlah filtrat yang dihasilkan akan semakin sedikit. Data yang pratikan dapatkan dalam percobaan ini memiliki perubahan yang tidak stabil per satuan waktunya yaitu dalam rentang dua menit. Ketidakstabilan ini dapat disebabkan oleh berbagai faktor yang secara detail akan di bahas pada bagian analisis kesalahan. 5.3 Analisa Perhitunogan dan Grafik Analisis perhitungan dilakukan untuk menguji persamaan Routh dan persamaan Lewis mengenai keabsahan persamaan tersebut dalam proses filtrasi yang dilakukan oleh praktikan. Dengan mengambil asumsi bahwa beda tekanan konstan (∆P = 0,1 kg/cm2 untuk percobaan pertama dan ∆P = 0,2 kg/cm2 untuk percobaan ke dua), tidak ada kebocoran pada filter press, dan cake yang dihasilkan merupakan non-compresible cake A. PERSAMAAN ROUTH Persamaan Routh secara umum menjelaskan bahwa jika filtrasi dilakukan pada ∆P yang konstan maka hubungan antara waktu (t) dengan volume filtrat (Vf) dapat diekspresikan dalam persamaan berikut:

V f  2 J .V f  h.t 2

Kita dapat mengubah persamaan dengan membagi tiap ruas dengan

1 Vf h

sehingga

persamaan di atas menjadi bentuk persamaan baru seperti berikut ini:

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

23

MODUL FILTRASI November 15, 2013

y

= m x + c

Bentuk persamaan di atas merupakan bentuk linear dari persamaan awal sehingga akan lebih memudahkan kita dalam menganalisis dengan cara melihat persamaan di atas y  a x  b . Sehingga kita masukkan nilai-nilai untuk masing-masing

dalam bentuk

komponen yaitu untuk y 

t dan x  V f . Lalu setelah itu kita plot dalam bentuk grafik Vf

dengan bantuan Ms. Excel kita meregresi untuk mendapatkan nilai grafik (a) dan 2

1 yang merupakan slope h

J yang merupakan perpotongan grafik dengan sumbu y ( titik b). h

a. untuk percobaan pertama (∆P = 0.1 psig)

Grafik Vf terhadap t/Vf saat P = 0,1 psi 1.7 1.65 1.6 t/Vf y = 0.0002x + 1.5006 R² = 0.7515

1.55 1.5

Grafik Vf terhadap t/Vf saat P = 0,1 psi Linear (Grafik Vf terhadap t/Vf saat P = 0,1 psi)

1.45 0

200

400

600

800

Vf

Gambar 4.Grafik Vt terhadap

saat ∆P = 0,1 kg/cm2

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

24

MODUL FILTRASI November 15, 2013 Tujuan dari pembuatan grafik adalah untuk mendapatkan suatu persamaan garis linear dari data-data yang ada sehingga nilai slope dan intercept dari garis tersebut dapat diketahui dan nilai konstanta persamaan Routh dapat dihitung. Namun, bila kita perhatikan, terlihat bahwa garis yang dihasilkan tidak benar-benar linear. Penyebab ketidaklinearan ini akan dibahas lebih lanjut pada analisa kesalahan. Terlihat dari grafik yang dihasilkan bahwa bentuk grafik cenderung tidak konstan atau tidak stabil, hal ini dikarenakan oleh tenanan sistem yang digunakan terkadang berubah-ubah pada pressure gauge. Bentuk linearisasi persamaan Routh yang diperoleh oleh praktikan dengan meregresi data-data yang diperoleh adalah y = 0,0002x + 1,5006 Dari persamaan yang di peroleh maka akan dapat memperoleh data seperti dibawah ini. h = 5000 j = 3751,5 b. untuk percobaan ke dua (∆P = 0,2 psig)

Grafik Vf terhadap t/Vf saat P=0,2 psi 1.4 1.38 1.36 1.34 1.32 1.3 t/Vf 1.28 1.26 1.24 1.22 1.2 1.18

y = 0.0002x + 1.2393 R² = 0.7439 Grafik Vf terhadap t/Vf saat P=0,2 psi Linear (Grafik Vf terhadap t/Vf saat P=0,2 psi) 0

200

400

600

800

1000

Vf

Gambar 5. Grafik Vt terhadap

saat ∆P = 0,2kg/cm2

Bentuk linearisasi persamaan Routh berdasarkan regresi data yang diperoleh oleh praktikan adalah y = 0,0002 x + 1,2393 Sama seperti sebelumnya maka praktikan dapatkan nilai konstanta J dan h sebagai berikut h = 5000 j = 3098,25

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

25

MODUL FILTRASI November 15, 2013 Dari hasil percobaan menunjukan bahwa sistem stabil dengan melihat persamaan Routh. Karena persamaan Routh berpengaruh pada kestabilan sistem. Dapat dilihat nilai konstanta (h) tetap. Jadi dapat di artikan semakin lama filter press melakukan proses filtrasi maka suatu saat akan ada kalanya menjadi konstan jumlah filtratnya, hal ini di karenakan semakin lama menahan slurry akan terbentuk cake semakin tebal. Untuk konstanta (j) dapat di simpulkan merupakan konstanta untuk memperlihatkan bahwa setelah slurry tertahan oleh cake maka akan terjadi penurunan laju filtrat yang keluar seiring bertambahnya tekanan, hal ini di karenakan semakin besar tekanan maka laju alir slurry akan bertambah dan akan mempercepat penebalan cake yang tertahan oleh filter cloth. Selain itu praktikan menganalisis bahwa persamaan Routh memperhitungkan tahanan filtrasi sebagai ekivalen dengan laju pembentukan cake yang akan mempengaruhi besarnya volume filtrat terbentuk dalam rentang waktu tertentu. B. PERSAMAAN LEWIS Persamaan Lewis merupakan suatu persamaan yang mengkorelasikan laju volume filtrat per luas penampang frame sebagai hubungan eksponensial terhadap beda tekanan dan waktu. Pada persamaan Lewis, nilai ∆P adalah variabel yang diubah dan dijaga konstan selama pengambilan data dan variabel t sendiri adalah variabel independen di mana akan mempengaruhi variabel lainnya. Lewis telah merumuskan sebuah persamaan tentang filtrasi yaitu m

V f  n    K . P . t  A dengan n, m, dan K adalah konstanta yang ditentukan oleh percobaan yang telah praktikan lakukan. lalu praktikan turunkan persamaan di atas menjadi bentuk

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

26

MODUL FILTRASI November 15, 2013

y

=

m x

+

c

Dengan melakukan perhitungan didapatkan : a. untuk percobaan pertama (∆P = 0,1 psig)

Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,1 psi 3.5 y = 1.0403x + 0.0997 R² = 0.9992

3 2.5 Log t

Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,1 psi

2 1.5

Linear (Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,1 psi)

1 0.5 0 0

1

2

3

Log Vf

Gambar 6. Grafik log Vf terhadap log t saat ∆P = 0,1 kg/cm2

Bentuk linearisasi persamaan Lewis berdasarkan grafik plotting yang telah praktikan lakukan adalah y = 1,0403 x – 0,0997 Dan akan mendapatkan data seperti di bawah ini m = 1,0403 C = 1,258

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

27

MODUL FILTRASI November 15, 2013 b. untuk percobaan ke dua (∆P = 0,2 psig)

Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,2 psi 3.5 y = 1.0497x - 0.0114 R² = 0.9997

3 2.5 Log t

Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,2 psi

2 1.5

Linear (Grafik Log Vf terhadap Log t saat P = 0,2 psi)

1 0.5 0 0

1

2

3

4

Log Vf

Gambar 7. Grafik log Vf terhadap log t saat ∆P = 0,2 kg/cm2

Bentuk linearisasi persamaan Lewis berdasar plot grafik y = 1,0497x -0,0114 Dan akan mendapatkan data seperti di bawah ini m = 1,0497 C = 1,0266 Dengan melihat perhitungan di atas dapat disimpulkan persamaan Lewis merupakan suatu persamaan yang mengkorelasikan

V f    sebagai laju volume filtrat per luas  A

penampang frame sebagai hubungan eksponensial terhadap beda tekanan dan waktu. Pada persamaan Lewis, ∆P adalah variabel yang diubah dan dijaga konstan selama pengambilan data dan variabel t sendiri adalah variabel independen di mana akan mempengaruhi variabel lainnya. Di sini praktikan tidak mengambil dan menyetujui suatu kesimpulan bahwa luas penampang frame merupakan suatu yang konstan melainkan mengalami perubahan karena sebagaimana yang didukung persamaan Routh sebelumnya luas penampang filter cloth akan berubah karena perubahan karakteristik cake yang memiliki pori semakin mengecil akibat akumulasi cake dan tekanan yang semakin besar pada cake itu sendiri. Namun karena sesuai asumsi awal bahwa cake yang terbentuk adalah non-compresible cake maka perubahan karakteristik sifat cake tidak berpengaruh sehingga A (luas penampang) akan dianggap tetap.

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

28

MODUL FILTRASI November 15, 2013 Untuk mencari konstanta m dan n harus menurunkan persamaan yang telah terbentuk dari grafik hasil perhitungan di atas dengan nilai Vf= 1000 cm3. Dan di dapatkan hasil seperti tabel berikut. Saat Vf = 1000 cm3 ∆P

log t

log ∆P

1050,03

0,1

3,0212

-1

1373,09

0,2

3,1377

-0,69897

t (second)

Grafik log delta P terhadap log t 3.16 3.14 3.12 3.1 y = -0.387x + 2.7507 3.08 R² = 1 3.06

Log t

Grafik log delta P terhadap log t Linear (Grafik log delta P terhadap log t)

3.04 3.02 3 -1.5

-1

-0.5

0

Log delta P

Gambar 8. Grafik log delta P terhadap log t

Setelah mendapatkan data ∆P, log t dan log ∆P, maka data di plot menjadi grafik dengan menghubungkan antara log ∆P terhadap log t, maka akan di dapatkan persamaan y = 0,387x + 2,7507 ,7507

y

=

m

x

+

c

sehingga akan mendapatkan nilai konstanta n dan β n = 0,387 β = 563,25

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

29

MODUL FILTRASI November 15, 2013

karena β =

, maka akan didapat nilai K sebesar 0,018

Sehingga persamaan Lewisnya menjadi :

Pada grafik log ΔP vs. log t yang diperoleh, terlihat bahwa garis yang dihasilkan memiliki gradien negatif atau bergerak dari kiri atas ke kanan bawah. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar nilai ΔP, maka waktu yang dibutuhkan untuk mencapai suatu volume akumulasi tertentu menjadi semakin singkat. Tujuan praktikan membuat grafik ialah untuk mendapatkan suatu persamaan garis linear dari data-data yang ada sehingga nilai slope dan intercept dari garis tersebut dapat diketahui sehingga nilai konstanta pada persamaan Lewis dapat dihitung. 5.4. Analisa Kesalahan Dalam percobaan filtrasi ini, terdapat beberapa kesalahan yang kerap terjadi selama percobaan berlangsung. Beberapa kesalahan yang kerap terjadi dalam percobaan yang dijalani praktikan :  Kurang rapat dan tak sempurnanya pemasangan (instalasi) filter press yang terdiri atas frame dan plate, sehingga terjadi kebocoran pada filter press yang menyebabkan beda tekanan terkadang tidak konstan dan air filtrate beerkurang.  Karet penghubung antar medium filtrat sudah mulai berkurang keelastisannya sehingga memicu kebocoran lebih tinggi walaupun sudah diberikan tekanan pada alat cukup besar.  Sistem perpipaaan yang tidak transfaran sehingga menyulitkan untuk mengetahui apakah didalam perpipaan tidak terjadi hambatan.  Kekurangtelitian dalam pengukuran volume filtrat  Terkadang terdapat aliran cepat yang dapat menyebabkan pengukuran pada gelas ukur harus dilakukan secara cepat pula sehingga terkadang pembacaan tidak tepat.  Menjaga kestabilan tekanan yang masuk ke filter press cukup sulit hal ini di karenakan kerusakan alat pada valve sehingga untuk menjaga agar tekanan konstan dilkakukan secara manual. TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

30

MODUL FILTRASI November 15, 2013

TEKNIK KIMIA 2013 | PRAKTIKUM UNIT OPERASI PROSES 1

31