Rotaty Drum Filter

ROTARY DRUM FILTER
Ir. Noercahyo


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 pengopera¬si¬an 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.





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.









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 :
Flow rate = = (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 :
cs =

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
















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 pro¬duk
(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

LEMBAR DATA

a. Kondisi alat

(1) Keliling Drum (K) : ________m
(2) Lebar Screen (L) : ________m
(3) Filter Area = K x L = ________m2
(4) Panjang busur drum yang tercelup ke dalam slurry (K’) : ________m
(5) Fraksi Drum yang tercelup = K/K’ = _________
(6) Panjang dead zone (Ldz) : ________m
(7) Tekanan operasi (-ΔP) : _________bar = ___________Pascal
(8) 1 cm tinggi filtrat (Hfiltrat) setara dengan volume filtrat (V) ________m3







b. Hubungan antara volume filtrat dengan time cycle


RUN 1 2 3 4 5
SKALA
PERIODE*)
Nomor
Data Hfiltrat
(cm) Waktu pengisian tangki filtrat
(detik)
1 10
2 20
3 30
4 40
5 50
6 60
*) Waktu yang ditempuh untuk menyelesaikan satu putaran drum
dalam satuan detik

d. Hubungan antara tebal cake dengan periode putaran

RUN 1 2 3 4 5
Waktu pengolahan
(tp, detik)
Volum total cake (Vcake, m3)


e. Karakter filtrat

RUN 1 2 3 4 5
μ (Pa.s)
ρ (kg/m3)


f. Penentuan cs

RUN 1 2 3 4 5
Berat basah slurry (gr)
Berat kering slurry (gr)
cx
Berat basah cake (gr)
Berat kering cake (gr)
m
cs

IV. KESELAMATAN KERJA
a. Kelengkapan alat pelindung diri
(1) Jas lab
(2) Sarung tangan karet
b. SOP terkait penyimpangan prosedur yang berbahaya
(1) Jangan menyemtuh drum ketika sedang berputar
(2) Jangan berada dekat dengan keluaran feed pada saat start up, karena dapat menyembur dan memercik


V. PETUNJUK PENYAJIAN LAPORAN
5.1 Langkah perhitungan
Lakukan semua perhitungan dalam sistem satuan MKS
a. Hitung filter area, dan masukkan dalam lembar data
b. Hitung fraksi drum yang tercelup, dan masukkan dalam lembar data
c. Manipulasi persamaan karakteristik terhadap persamaan karakteristik rotary drum filter yang semula :
Φ = =
disusun ulang menjadi :
Φ2 =
Penyusunan ulang dapat dilanjutkan, sehingga menjadi :
= .
Dengan demikian harga α dapat diperoleh dengan cara mengalurkan terhadap tc, dengan sebelumnya mengetahui harga kelompok bilangan Z, dimana : Z =
Harga flowrate (Φ) seharusnya merupakan harga volum filtrat yang tertampung setiap satu putaran drum per satuan luas medium filter. Oleh karena operasi alat ini secara kontinyu dan dapat didekati dengan kondisi steady state, maka harga ini dapat ditentukan dari jumlah volum filtrat yang tertampung setiap saat.
d. Hitung harga tebal cake dengan persamaan :
=
5.2 Hasil Percobaan yang Disajikan
Pengolahan data dilakukan menurut tahapan berikut, dan ditampilkan sesuai dengan keperluan.
(a) Buat grafik pengaluran terhadap volum filtrat (V) dengan waktu pengisian tangki (t). Pembuatan grafik dimulai dengan V=0 dan t=0.
Lakukan regresi linier dan temukan harga gradien sebagai . Selanjutnya bagi dengan luas permukaan medium filter, sehingga ditemukan Φ =
(b) Buat grafik antara terhadap . Lakukan regresi linier dan temukan gradien sebagai . Tentukan harga Z dengan mengetahui faktor-faktor yang menyusunnya, kemudian temukan harga specific cake resistance (α)
(c) Buat grafik antara tebal cake (ΔLcake) terhadap .

Untuk mendukung pengolahan data, lampirkan proses sampai menjadi hasil yang siap disajikan dalam lampiran. Lampiran pertama berisi tentang data pengamatan, dan pada prinsipnya merupakan salinan (copy) dari seluruh informasi di lembar data. Lampiran kedua menampilkan perhitungan antara; dalam lapiran ini sebaiknya ditampilkan : 1) kurva kalibrasi antara versus skala putaran drum, 2) tabel volum filtrat terhadap waktu, 3) tabel untuk mencati hubungan antara terhadap
5.3 Hasil Percobaan yang Dibahas
(a) Bandingkan sifat aluran kurva terhadap sifat persamaan karakteristik
(b) Berikan ulasan tentang hubungan antara tebal cake dengan laju putaran drum
(c) Berikan pembahasan yang berkaitan dengan pengopertasian alat dan sifat karakteristik rotary drum filter dalam berbagai skala putaran

PUSTAKA
1. Geankoplis, C. J. (1993), Transport Processes and Unit Operations, Prentice-Hall International Inc., New Jersey, edisi ke-3, cetakan ke-9, halaman 800-814
2. Montgomery, J.M. (1985), Water tratment Principles and Design, John Wiley ang Sons, New York, edisi ke-1, cetakan ke-10, halaman 546-548
3. Perry, R.H. & Green, D.W (1998), Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, McGraw-Hill, New York, edisi ke-7, cetakan ke-1, halaman 18-96 s.d. 18-98