Settling Pond: Fungsi Rumus Perhitungan Area Principle Contoh Soal Kolam Pengendapan

Pengertian Kolam Pengendapan – settling pond merupakan kolam tidak terlalu besar yang digunakan untuk mengendapkan partikel atau padatan yang tercampur dalam aliran fluida (pulp).

Pada salah satu ujungnya masuk aliran pulp dan ujung yang lain keluar aliran sebagai overflow yang hampir jernih, atau hampir bebas dari partikel padatan.

Padatan yang mengendap tersimpan di dalam kolam dalam bentuk pulp yang sangat kental, dan dikeluarkan ketika padatan sudah mencapai ketinggian tertentu.

Tujuan Fungsi Kolam Pengendapan – Settling Pond

Kolam pengendapan umumnya diterapkan pada pabrik yang dalam operasinya melibatkan campuran fluida dan padatan. Adapun tujuan atau fungsi dari dibangunnya settling pond diantaranya adalah…

1). Sebagai tempat penyimpanan sementara padatan yang menjadi buangan pabrik dan akan diolah Kembali

2). Sebagai sarana pengolahan air agar dapat digunakan Kembali ke pabrik.

3). Sebagai tahap awal pengolahan air yang akan digunakan untuk kebutuhan masyarakat atau keperluan lain.

4). Untuk memenuhi tuntutan undang undang lingkungan hidup.

Perhitungan Kolam Pengendapan – Settling Pond

Pulp yang terdiri dari campran fluida /air + padatan mengalir dengan debit sebesar Q masuk ke dalam settling pond yang lebarnya b.

Pulp masuk melalui bibir kolam di titik A dengan kecepatan horizontal v_H dan membetuk lapisan setebal d.

Aliran pulp melintas sejauh L dan keluar di titik B yang merupakan pintu keluar kolam pengendapan (settling pond).

Selama pulp melintasi dari titik A ke titik B, partikel partikel padatan bergerak ke arah titik B berkecepatan sama dengan kecepatan aliran pulp.

Setiap partikel yang ada dalam aliran horizontal mempunyai peluang untuk mengendap ke dasar kolam atau terbawa aliran hingga keluar kolam menjadi overflow.

keterangan

Q = debit, volume fluida – pulp per satuan waktu

v_t = kecepatan pengendapan terminal partikel

v_H = kecepatan horizontal fluida – pulp

L = Panjang kolam – pond

d = tebal lapisan fluida – pulp

b = lebar kolam / pond

t_V = waktu pengendapan vertical partikal

t_H = waktu lintasan horisontal partikal

Partikel padatan yang berada di pintu masuk, tepat di atas permukaan lapisan yaitu di titik C, akan jatuh ke dasar kolam jika waktu yang dibutuhkan untuk mengendap sedalam d (tebal lapisan) lebih kecil dari waktu yang dibutuhkan untuk melintas sejauh L.

Kondisi tersebut dapat dinyatakan seperti berikut

t_V < t_H

Kecepatan Partikel Mengendap Pada Aliran Kolam Pengendapan – Settling Pond,

Kecepatan partikel mengendap pada tebal lapisan aliran d dinyatakan dengan rumus berikut

v_t = d/t_V atau

Waktu Partikel Mengedap Pada Tebal Aliran Settling Pond,

Waktu yang dibutuhkan partikel untuk pengedap sejauh d secara vertical adalah

t_V = d/v_t

Kecepatan Horisontal Partikel Pada Aliran Kolam Pengendapan,

Kecepatan horizontal partikel di aliran kolam pengendapan merupakan kecepatan aliran fluida – pulp. Partikel terdorong oleh aliran fluida – pulp dan dapat diekspresikan dengan formula sebagai berikut

v_H = L/t_H

Waktu Partikel Mengalir Horisotal Sepanjang Aliran Settling Pond,

Waktu yang dibutuhkan partikel untuk dapat melintas horizontal sepanjang kolam pengendapan dapat dinyatakan dengan rumus berikut.

t_H = L/v_H

Debit Aliran Fluida – Pulp Pada Kolom Pengendapan – Settling Pond

Besarnya aliran pulp pada permukaan kolam pengendapan dapat dinyatakan dengan rumus berikut.

Q = v_H A_f

A_f = luas penampang aliran fluida – pulp

A_f = d x b

Sehingga Q adalah

Q = v_H d b

Menentukan Waktu Yang Dibutuhkan Aliran Pulp Melintas Horisontal Settling Pond – Kolam Pengendapan,

Waktu yang dibutuhkan partikel untuk dapat melintasi settling pond sepanjang L dapat dirumuskan seperti berikut

Q = v_H d b

v_H = L/t_H

v_H merupakan kecepatan horizontal aliran fluida yang mendorong partikel, sehingga kecepatan maksimum partikel bergerak secara horizontal merupakan kecepatan aliran fluida- pulp.  Kecepatan horizontal partikel tidak akan melebihi kecepatan fluida -pulp.

Substitusikan v_H ke rumus Q sehingga menjadi seperti berikut

Q = (L d b)/t_H

Maka waktu yang dibutuhkan partikel untuk dapat melintas kolam sejauh L adalah

t_H = (L d b)/Q

Luas penampang kolam pengendapan – settling pond dapat dinyatakan dengan rumus berikut

A_P = L . b

Dengan demikian, waktu yang dibutuhkan partikel untuk melintas kolam secara horizontal sejauh L adalah

t_H = (d. A_P)/Q

Menentukan Area Principle Settling Pond – Kolam Pengendapan,

Area Principle settling pond dapat dinyatakan dengan ketentuan seperti berikut

t_V = t_H

Waktu yang dibutuhkan partikel pengedap sedalam d (tebal lapisan pulp- fluida) sama dengan waktu yang dibutuhkan partikel melintas kolam sejauh L.

Ketika kondisi t_V = t_H  tercapai, maka partikel akan tepat jatuh di bibir keluar kolam pada titik B.

Dengan kondisi tersebut, maka Area Principle dapat dirumuskan seperti berikut.

d/v_t = (d. A_P)/Q atau

A_P = Q/v_t

Area Principle A_P adalah luas permukaan kolam pengendapan yang menyebabkan partikel tepat jatuh pada posisi bibir kolam arah keluar.

Luas area Principle A_P merupakan luas munimun kolom pengendapan agar partikel ukuran tertentu mengendap pada settling pond.

Dari rumusnya dapat diketahui, bahwa Area Principle dipengaruhi oleh aliran pulp Q dan kecepatan terminal partikel v_t. Jadi, jika Q dan kecepatan terminal v_t diketahui, maka Area Principle dapat ditentukan.

Menentukan Kecepatan Terminal Partikel Settling Pond – Kolam Pengendapan,

Kecepatan terminal partikel agar dapat mengendap dalam kolam pengedapan dan tidak ikut aliran fluida – pulp keluar dari kolam dapat dirumuskan sebagai berikut.

\mathrm{v_{t}= \frac{g. d^{2}(\rho_{s}-\rho_{f})}{18. \eta }}

v_t merupakan kecepatan terrendah agar partikel dapat mengendap ke dasar kolam dan tidak terbawa aliran horizontal keluar kolam.

g = percepatan gravitasy, m/s²

d = ukuran partikel padatan, m

ρ_s = density padatan, kg/m³

ρ_f = density fluida, kg/m³

η = viskositas, kg/ms

1). Contoh Soal Perhitungan Area Principle Settling Pond Pengolahan Air Besih,

Suatu industry menghasilkan limbah sebanyak 36 m³ per jam yang berupa campuran air dan padatan. Padatan berdensity 2,5 g/cm³ dengan rentang ukurannya 2 – 34 mikron, sedangkan viskositas air adalah 1 x 10^-3 kg/ms.

Jika, air limbah akan digunakan kembali dengan persyaratan bebas dari padatan, hitung luas kolam pengendapan yang harus disediakan.

Diketahui

g = 9,8 m/s²

d = 2 x 10^-6 – 34 x 10^-6 m

ρ_s = 2500 kg/m³

ρ_f = 1000 kg/m³

η = 1 x 10^-3 kg/ms

Q = 36 m³/jam

Menentukan Kecepatan Terminal Partikel Padatan Pada Kolam Pengendapan

Ukuran partikel dipilih terhadap ukuran yang paling lambat mengendapnya, yaitu partikel yang berukuran terkecil. Dari rentang ukuran partikel yang terkndung dalam pulp diketahui bahwa partikel terkecil adalah 2 mikron.

Kecepatan terminal pengendapan partikel dalam fluida air dapat dinyatakan dengan rumus berikut..

\mathrm{v_{t}= \frac{g. d^{2}(\rho_{s}-\rho_{f})}{18. \eta }}

Substitusikan semua besaran yang ada ke dalam persamaan kecepatan terminal tersebut

\mathrm{v_{t}= \frac{9,8 x (2 x10^{-6})^{2}(2500 -1000)}{18 x 0,001}}  

v_t = 0,00000327 m/s

v_t = 3,27 x 10^-6 m/s

Menentukan Luas Area Principle Kolam Pengendapan – Settling Pond,

Luas Area Principle A_p Settling Pond dapat ditentukan dengan menggunakan rumus berikut

A_P = Q/v_t

Q = 36 m³/jam atau

Q = 0,01 m³/detik

maka luas A_P adalah

A_P = 0,01/(3,27 x 10^-6)

A_P = 3.058 m²

Jadi, luas Area Principle kolam pengendapan yang harus disediakan adalah 3.058 m².

2). Contoh Soal Menentukan Ukuran Partikel Mengendap Pada Settling Pond,

Sebuah pabrik pengolahan bahan galian menghasilkan 259.200 liter per hari limbah berupa pulp campuran air dan bubuk bahan galian. Limbah pulp dialirkan ke settling pond yang memiliki luas 50 x 60 m².

Jika density padatan 2,8 g/cm³ dan viskositas air 1 x 10^-3 kg/ms, hitung berapa ukuran padatan terbesar yang masih terbawa keluar dari kolam pengendapan.

Diketahui

g = 9,8 m/s²

d = … m

ρ_s = 2800 kg/m³

ρ_f = 1000 kg/m³

η = 1 x 10^-3 kg/ms

Menentukan Debit Aliran Pulp Kolam Pengendapan – Settling Pond,

Debit aliran limbah pulp dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut

Q = 259.200 liter/hari

Q = 259.200 /(24x60x60) liter/detik

Q = 3 liter/detik

Q = 3 x 10^-3 m³/detik

Luas Kolam Pengendapan – Settling Pond,

Luas kolam pengendapan merupakan Area Principle dari settling pond,

A_P = 50 x 60 = 3000 m²

Menentukan Kecepatan Terminal Pengendapan Partikel Di Settling Pond,

Kecepatan terminal partikel dalam fluida air dapat dinyatakan dengan rumus beriku

A_P = Q/v_t atau

v_t = Q/A_P

v_t = (3 x 10^-3)/3000

v_t = 1 x 10^-6 m/s

Menentukan Ukuran Terbesar Partikel Padatan Dalam Aliran Pulp,

Ukuran terbesar partikel yang terbawa dapat dinyatakan dengan rumus berikut

\mathrm{v_{t}= \frac{g. d^{2}(\rho_{s}-\rho_{f})}{18. \eta }}

atau …

\mathrm{d^{2} =\frac{v_{t} 18 \eta}{g (\rho _{s}- \rho _{f})}}

Substitusikan semua besaran yang diketahui

\mathrm{d^{2} =\frac{1 x \: 10^{-6} \: x\: 18\: x\:  0,001}{9,8\:(2800- 1000)}}

d² = 1,02 x 10^-12

d = 1,01 x 10^-6 m atau

d = 1 mikron

Jadi, ukuran terbesar partikel yang mungkin terbawa aliran fluida adalah 1 mikron,

3). Contoh Soal Menentukan Fraksi Ukuran Padatan Yang Mengendap Settling Pond,

Pada pengolahan air, sebanyak 1800 m³/jam aliran pulp campuran padatan dan air masuk ke kolam pengendapan yang berukuran 20 x 25 m².

Jika density padatan 2,5 g/cm³ dan distribusi ukuran sesuai persamaan Y = 2,5 x^0,65 (mikron). Y = persen kumulatif lolos, x = mikron, serta viskositas air 1 x 10^-3 kg/ms. Hitung berapa banyak padatan yang masih terbawa keluar dari kolam pengendapan.

diketahui

g = 9,8 m/s²

d = … m

ρ_s = 2500 kg/m³

ρ_f = 1000 kg/m³

η = 1 x 10^-3 kg/ms

Q = 1800 m³/jam

Q = 1 m³/detik

A_P = 20 x 25 = 500 m²

Y = 2,5 x^0,65

x = mikron

Menentukan Kecepatan Terminal Pengendapan Limbah Kolam Pengendapan – Settling Pond,

Kecapatan terminal partikel padatan dalam aliran pulp dapat dirumuskan seperti berikut

v_t = Q/A_P

v_t = 0,5/500

v_t = 0,001 m/s

Ukuran terbesar partikel yang terbawa dapat dinyatakan dengan rumus berikut

\mathrm{v_{t}= \frac{g. d^{2}(\rho_{s}-\rho_{f})}{18. \eta }}

atau …

\mathrm{d^{2} =\frac{v_{t} 18 \eta}{g (\rho _{s}- \rho _{f})}}

Substitusikan semua besaran yang diketahui

\mathrm{d^{2} =\frac{ 0,001 \: x\: 18\: x\:  0,001}{9,8\:(2500- 1000)}}

d² = 1,22 x 10^-9

d = 3,499 x 10^-5 m  3,49927E-05

d = 34,99 mikron

Menentukan Fraksi Padatan Yang Mengendap Pada Kolam Pengendapan

Banyaknya padatan yang mengendap pada settling pond dapat dinyatakan dengan persamaan berikut,

Y = 2,5 x^0,65

Y = fraksi undersize = persen kumulatif lolos

Ukuran terkecil yang mengendap adalah 34,99 mikron. Maka ukuran yang mengedap ≥ 34,99 mikron. Sehingga x = 34,99 mikron.

Y = 2,5 (34,99)^0,65

Y = 25,2

Berarti ada 25,2 persen dari total padatan yang berukuran lebih kecil dari 34,99 mikron yang terbawa oleh aliran horizontal sebagai overflow. Ukuran ini disebut sebagai undersize.

Sedangkan yang mengendap merupakan partikel berukuran ≥ 34,99 mikron disebut sebagai oversize. Sehingga fraksi yang mengendap dapat dihitung dengan neraca bahan berikut

Undersize + Oversize = 100% atau

Oversize = 100 – 25,2 =

Oversize = 74,8 %

Jadi, fraksi padatan yang mengendap adalah 74,8 % dari total padatan dalam pulp.

Daftar Pustaka:

1. Wills, B., A., 1988, “Mineral Processing Technology”, Pergamon Press, Oxford
2. Wills, B.A. and T.J. Napier-Munn., 2006, “Minerral Processing Technology, Elsevier Science and Technology Book, Queensland
3. Kelly, E., G., 1982, “Introduction to Mineral Processing”, John Wiley & Son, New York.
4. Currie, M. John, 1973, “Unit Operation in Mineral Processing”, British Columbia Institue of Technology, British Columbia, Burnaby
5. Mular, L., Andrew, 2000, “Elements of Mineral Process Engineering”, Unversity of British Columbia, Vancouver, B. C., V6T 1Z4, Canada.
6. Gupta, A. Yan, D. S., 2006, “Mineral Processing Design and Operation”, Perth, Australia.
7. Gaudin, AM., 1939, “Principles of Mineral Dressing”, Mc. Graw Hill Book Company Inc, New York.
8. Taggart AF., 1987, “Hand Book of Mineral Dressing”, John Willey and Sons, New York.
9. King, R.P, 2001, “Modeling & Simulation of Mineral Processing Systems, Department of Metallurgical Engineering, University of Utah, USA.
10. Evertsson, C.M. and Bearman, R.A., “1997, “Investigation of interparticle breakage as applied to cone crushing, Minerals Engineering, vol. 10, no. 2, February, pp. 199-214.
11. Metso Minerals., 2008, “Crushing and Screening Handbook”, 3rd ed., Tampere: Metso Minerals).
12. , 2006, “Basics in Minerals Processing”, 5th Edition, Section 4 – Separations, Metso Minerals.
13. Pryor A. EJ., 1965, “Reader In Mineral Dressing”, University of London, Mining Publication, Salisbury House, London.