JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271
1
Re-Design Pompa Sentrifugal Double Admission dengan Fluida Kerja Semi Lean Benfield Solution (K2CO3) pada Kapasitas 700 m3/h dan Head 275.8 m (STUDI KASUS : PT. PETROKIMIA GRESIK) Fathur Rahim dan Prof. Dr. Ir. I Made Arya Djoni, M.Sc. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected] Abstrak-Penggunaan pompa sentrifugal dalam dunia industri, khususnya di PT. Petrokimia Gresik memiliki peran yang sangat penting, terutama untuk memindahkan fluida kerja dari satu tempat ke tempat lain. PT. Petrokima Gresik dalam menggunakan jenis pompa untuk yang mengalirkan semi lean benfield solution ( berfungsi sebagai absorber dalam proses pembuatan amoniak. Seiring berjalannya waktu, kapasitas pompa sentrifugal ingin double admission yang semula 582,3
sentrifugal sentrifugal Petrokimia kebutuhan 582,3
isapan tunggal, pompa aksial dan pompa double admission yang terdapat di PT. Gresik sebelumnya tidak mampu memenuhi tersebut karena hanya mampu menghasilkan . II. URAIAN PENELITIAN A. Diagram Alir Penelitian Penelitian Tugas Akhir ini akan dilaksanakan dengan mengikuti diagram alir penelitian. Adapun langkah-langkah tersebut dapat dilihat pada gambar 1.
ditingkatkan menjadi 700 Oleh karena itu, dilakukan perancangan ulang pompa sentrifugal double admission untuk fluida kerja semi lean benfield solution ) .Setelah itu dilakukan perancangan ulang ( pompa dengan data yang telah diolah meliputi perancangan poros, impeller dengan bentuk sudu double curvature, volute, pasak dan bearing. Dari perancangan ulang, didapatkan desain pompa sentrifugal double admission untuk fluida kerja semi lean ) yang sesuai dengan kapasitas benfield solution ( 700 pada head 275,8 m serta daya BHP sebesar 886 Kwatt dengan effisiensi 74%. Kata kunc i: Double Admission, Pompa Sentrifugal, Pompa Kapasitas Besar I. PENDAHULUAN Penggunaan pompa sentrifugal dalam dunia industri, khususnya di PT. Petrokimia Gresik memiliki peran yang sangat penting, terutama untuk memindahkan fluida kerja dari satu tempat ke tempat lain. Pompa aksial digunakan untuk menghasilkan kapasitas yang sangat besar dengan kebutuhan head yang kecil. Sedangkan pompa sentrifugal double admission digunakan untuk menghasilkan kapasitas yang besar dengan kebutuhan head yang cukup tinggi. Pompa sentrifugal double admission mampu menghasilkan kapasitas yang besarnya sama dengan dua kali kapasitas yang mengalir pada pompa dengan isapan tunggal dengan menghasilkan head yang sama. Pompa sentrifugal dengan dua sisi hisap banyak sekali digunakan untuk menghasilkan kapasitas yang besar dengan head yang tinggi. Alasan tersebutlah yang dijadikan dasar penggunaan pompa sentrifugal double admission oleh PT. Petrokimia Gresik untuk mengalirkan semi lean benfield yang berfungsi sebagai absorber solution ( dalam proses pembuatan amoniak. Adanya suatu kebutuhan pompa yang dapat digunakan untuk fluida kerja semi lean benfield solution ( yang mampu menghasilkan kapasitas sebesar 700 pada head sebesar 275,8 m di mana pompa dengan
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian B. Perhitungan Perancangan Data awal yang digunakan dalam perancangan pompa sentrifugal double admission ini adalah sebagai berikut: Fluida kerja: Semi Lean Benfield Solution (K2CO3), Specific Gravit : 1,249 ; Head: 275,8 m ; Kapasitas: 700 m3/h = 0,194 m3/s ; Putaran: 3000 rpm. Pertama dilakukan untuk pompa secara umum untuk perhitungan dasar mengetahui jumlah masukan fluida ke dalam impeller Kk seperti berikut.
Maka,
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271
2
Sehingga perhitungan ulang putaran spesifik untuk pompa double admission dapat dilakukan seperti berikut: Setelah di dapat nilai dari kapasitas teoritis, kita dapat menentukan inlet area (Ao), cross sectional area hub ) impeller (Ah) dan total cross sectional area ( C. Daya Pada Pompa Besarnya daya yang diterima fluida (WHP) dari impeller pompa adalah sebagai berikut:
Untuk menentukan besarnya daya poros yang dibutuhkan (BHP) dilakukan perhitungan sebagai berikut:
Dari perhitungan di atas, dilakukan perhitungan kembali untuk mendapatkan diameter inlet eye impeller ( ) seperti di bawah ini
sisi
Sedangkan diameter sentral streamline inlet impeller adalah sebagai berikut. D. Perancanggan Impeller Dalam melakukan perhitungan minimum poros, harus mempertimbangkan besarnya momen bending yang timbul pada poros tersebut akibat gaya-gaya yang bekerja didalamnya. Gaya-gaya tersebut seperti gaya akibat berat impeller dan gaya radial yang timbul dari impeller. Dalam menghitung berat impeller tentunya harus mengetahui volume impeller terlebih dahulu dan hal itu didapat melalui perhitungan yang bermula dari diameter hub yang didapat dari penentuan diameter poros di mana,
Desain Sudut Relatif Sisi Inlet Impeller untuk Streamline ( Untuk mendapatkan besar sudut relatif sisi inlet impeller diperlukan perhitungan kecepatan peripheral sisi inlet (
) terlebih dahulu.
Setelah didapatkan nilai dari kecepatan peripheral sudut relatif streamline
Material poros yang digunakan adalah 17.4 PH.A SS dengan nilai , maka :
Perhitungan Komponen Inlet Impeller Besarnya kecepatan meridian pada sisi inlet impeller ) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: (
)
Agar kapasitas tekan pompa lebih optimal dan effisiensi ditambah Angle Of Attack pompa meningkat maka (diambil
dengan syarat Maka sebagai acuan awal diameter poros pompa yang ditentukan untuk dilakukan perhitungan selanjutnya yaitu, . Selanjutnya diameter hub impeller :
sisi inlet impeller (
)
Pengecekan Asumsi Faktor Koreksi Adanya Penyempitan ( ) Berikut ini rumusan untuk melakukan pengecekan inlet constriction.
jumlah sudu (Z) diasumsikan 5 karena fluida yang digunakan memiliki viskositas yang jauh lebih tinggi daripada air.
Kecepatan Fluida Masuk Impeller (Co) Besarnya kecepatan fluida masuk impeller pada sisi inlet ( ) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut
G. Perhitungan Diameter Inlet Eye Impeller dan Diameter Sentral Streamline
Karena
lebih ,maka
kecil
daripada
diasumsikian ulang
yang
diasumsikan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 Perhitungan Ulang Asumsi Setelah melakukan pengecekan dan hasilnya kurang mendekati, maka dilakukan perhitungan ulang dengan melakukan asumsi yang baru
3
Kecepatan Periphieral
1 + Cp = Koreksi Pfleider, diasumsikan 1,3
Diameter outlet impeller didapat dengan perhitungan :
Untuk melakukan perhitungan selanjutnya, terlebih dahulu melakukan pengecekan terhadap jumlah sudu :
Pengecekan Asumsi Koreksi Pfleider
jika jika
Sehingga rumusan yang digunakan adalah sebgai berikut. = (0,76
Perhitungan Lebar Outlet Impeller Perhitungan Sudut Relatif Sisi Inlet Impeller untuk dan . Streamline
=
Untuk mendapatkan sudut relatif streamline sisi ) dilakukan perhitungan kecepatan inlet impeller ( peripheral
sisi inlet (
Luas Cross Sectional Impeller
) terlebih dahulu.
Sehingga besarnya lebar outlet impeller : Untuk mendapatkan nilai dari masing-masing kecepatan dilakukan perhitungan sebagai berikut: Sedangkan, untuk mendapatkan sudut relatif streamline sisi inlet impeller ( )
Nilai kecepatan relatif pada streamline sebagai berikut.
Perhitungan Komponen Outlet Impeller
(
) adalah
=
Desain Sudu Impeller dengan Metode Double Curvature Dalam mendesain sudu impeller digunakan metode point by point double curvature, yang mana perancangan sudu dengan menggunakan metode double curvature dilakukan dengan membuat tiga buat streamline. Ketiga streamline itu , streamline , dan streamline adalah streamline . Pembuatan streamline digunakan untuk
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 perhitungan static moment dengan membuat streamline
4
. Setelah itu dilanjutkan dan streamline .
Tabel 1 Streamline
Gambar 3 Grafik hubungan Kr terhadap ns
, streamline
Dari hasil perhitungan streamline , dan streamline berdasarkan jari-jari (r).
maka didaptkan besar sudut θᵒ
Gambar 4 Arah Gaya Radial pada Impeller Setelah mengetahui besarnya gaya radial selanjutnya perlu mengetahui arah gaya radial tersebut bekerja. Dengan maka dari grafik diatas dapat dilihat arah nilai gaya.
Gambar 2 Impeller Tiga Dimensi E. Perencanaan Poros Pompa Volume dari impeller yang tertera pada gambar hasil dari aplikasi solidwork adalah sebagai berikut: Dengan material poros yang digunakan adalah 17-4 PH A yang SS dengan massa jenis ( dikonversikan menjadi sebesar
Gambar 5 Free Body Diaagram Gaya-gaya pada Poros
Momen Pada Bidang Vertikal
impeller didapat dengan perhitungan sebagai berikut :
2
Fr
. Sehingga berat A 0,74
W
B 0,74 2
Besarnya gaya radial yang bekerja pada poros pompa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini. Berikut perhitungan gaya radial pada poros : Untuk mendapatkan besarnya koesfisien eksperimental Kr diperlukan perhitungan kecepatan spesifik yang kemudian diplot berdasarkan grafik hubungan Kr terhadap ns.
Di mana, Q = gpm ; H = ft
Gambar 6 Free Body Diagram Gaya-Gaya pada Arah Vertikal
Pada Bidang Horizontal Ah 0,74
Frh
Bh 0,74
Gambar 7 Free Body Diagram Gaya-Gaya pada Arah Horizontal Ah x 1,48 m – Frh x 0,74 = 0
Maka, Dari perhitungan di atas dapat diketahui nilai dari minimum poros yang dijinkan dengan perrhitungan sebagai berikut.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271
5
Penentuan panjang pasak (L) didasarkan pada pertimbangan terjadinya tegangan geser dan tegangan kompresi pada pasak. Berdasarkan Tegangan Kompresi Q. Perancangan Volute Pompa Metode yang digunakan dalam perencanaan volute pompa ini adalah Constant Mean Velocity Of Flow.
; Berdasarkan Tegangan Geser ;
Gambar 8 Grafik hubungan
terhadap Kcv
Dari grafik didapatkan nilai Kcv sebesar 0,275 dengan Sehingga dapat ditentukan : = 16,55
Cv =Kcv
Besarnya luas penampang irisan rata-rata dari volute pompa
Lebar sisi volute pompa : sehingga Maka
dapat direncanakan sebesar 0,07 m.
Luas area untuk tiap-tiap cross section : Av = Area ABCDEA - Area ABEA = =
digunakan
Dengan variasi sudut yang sering dalam perancangan volute pompa
Diameter outlet pompa direncanakan 10 in dan diameter inlet pompa 12 in dan material yang digunakan untuk casing volute pompa ini adalah 316 SS. F. Perencanaan Pasak Pada perancangan pompa sentrifugal double admission ini jenis pasak yang digunakan adalah standart square key. Data awal yang digunakan dalam perancangan pasak ini adalah sebagai berikut : Diameter poros = 86 mm Torsi = 2857,22 N.m Material pasak = 17 P-H SS H 1150 M, Syp = 896 MPa Dalam menentukan material pasak harus mempertimbangkan bahwa material pasak harus memiliki tegangan luluh yang lebih rendah dari meterial impeller dan poros. Material impeller dan material poros adalah 17 - 4 PH A SS dengan tegangan luluh 1000 MPa. Jadi material pasak 17 P-H SS H 1150 M dengan Syp = 896 MPa, tegangan luluhnya lebih rendah dari impeller dan poros. Dengan diameter poros maka dimensi-dimensi pasak, yaitu lebar dan tinggi pasak dapat diperoleh dari standarisasi pasak pada lampiran. Berikut lebar (W) dan tinggi pasak (H) : W = 12 mm ; H = 12 mm
Maka dari perhitungan dari tegangan kompresi dan tegangan geser dapat ditentukan panjang pasak sebesar (L) 140 mm yang digunakan dalam perancangan pompa sentrifugal double admission ini. G. Perencanaan Bearing Pada perancangan pompa sentrifugal double admission ini jenis bearing yang digunakan adalah angular contact ball bearing double row . Bearing tersebut cocok untuk terjadi kombinasi gaya radial dan aksial. Pada perhitungan gaya-gaya yang terjadi pada poros, gaya yang dominan besar adalah gaya radial. Namun pada kondisi operasinya pompa sentrifugal double admission kadang terjadi unbalance karena fluida masuk dari kedua sisi hisap yang berbeda. Sehingga kemungkinan terjadinya gaya aksial masih ada. Oleh karena itu jenis bearing yang digunakan dalam perancangan ini adalah angular contact ball bearing double row dengan seri 5413A (dari katalog SKF). Dengan diameter dalam bearing 65 mm maka dari tabel SKF dapat ditentukan dimensi dan spesifikasi angular contact ball bearing double row. Diameter dalam (d) = 65 mm; Diameter luar (D)= 160 mm Lebar bantalan (B) =71,4mm; Beban dinamis (C) = 195 KN Massa (m)= 6,75 kg; Seri bearing = 5413 A ) dapat dihitung sebagai Gaya radial pada titik A ( berikut : Besarnya gaya AV dan AH sudah didapatkan pada ssat perhitungan perencanaan poros. AH = AV =
Sehingga beban ekivalen yang diterima oleh bearing dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : karena Gaya aksial yang terjadi secara teoritis bentuk impeller yang saling membelakangi dan mengakibatkan gaya aksial saling meredam. Maka persamaan beban ekivalen menjadi seperti berikut:
X = 1 (dari katalog SKF) V = 1 (untuk inner ring rotation) Maka,
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271
8247,3 N Maka umur bearing dapat dicari dengan perhitungan menggunakan persamaan berikut :
III. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Dari hasil perancangan diperoleh spesifikasi pompa sentrifugal double admission. Berikut spesifikasi pompa sentrifugal double admission : Kondisi operasi • Fluida kerja : Semi Lean Benfield Solution (K2CO3) • Specific Gravity : 1,249 • Head : 275,8 m • Kapasitas : 700 m3/h • Putaran : 3000 rpm Konstruksi • Impeller Tipe : Forwards Curve Vane Closed Diameter Out : 466,8 mm Diameter In : 210,8 mm Sudu : double curvature (5 buah) • Bearing Tipe : angular contact ball bearing doble row SKF seri 5413A • Pasak Tipe : Standart square key Performance • Predicted Efficiency : 74% • WHP : 655 Kwatt • BHP : 886 Kwatt Material • Poros : 17-4 PH A SS • Impeller : 17-4 PH A SS • Casing Pompa : 316 SS • Impeller Ring : 17-4 PH A SS • Casing Ring : 17-4 PH A SS • Bearing : AISI 52100 (high Carbon Chrome Steel) • Pasak : 17-4 PH H 1150-M SS • Packing : Asbestos Berikut ini contoh gambar pompa sentrifugal double admission.
Gambar 9 Pompa Sentrifugal Double Admission B. Saran Berikut beberapasaran yang dapat saya sampaikan setelah menyelesaikan perancangan pompa sentrifugal double
6
admission untuk fluida kerja Semi Lean Benfield Solution (K2CO3) ini : 1. Dalam menentukan material komponen pompa harus mempertimbangkan sifat material yang sesuai dengan kondisi fluida kerja pompa dan faktor ekonomis. 2. Fenomena aliran fluida di dalam impeller dapat divisualisasikan dengan program fluent. UCAPAN TERIMA KASIH Ayahanda serta ibunda tercinta, Herry Djauhari dan Herlina yang selalu membimbing dan menasehati, dan kesabaran yang diberikan selama ini. Serta semua kakak dan adik saya tercinta untuk dukungannya. Prof. Dr. Ir. I Made Arya Djoni, M.Sc. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan arahan dan petunjuk mengenai penulisan Tugas Akhir serta menceritakan kisah hidup beliau yang sungguh berharga. Dr. Ir. Heru Mirmanto, M.T., Dedy Zuhidayat Noor, S.T., M.T., PhD., dan M. Khoirul Effendi, ST., MSc. Eng. sebagai dosen penguji yang telah memberikan arahan dan petunjuk yang sangat berarti dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. Bapak M. Nur Yuniarto sebagai dosen wali, dimana setiap semester selalu memberikan arahan dan motivasi yang terbaik untuk saya, agar saya lebih baik dari sebelumnya. Koes Cahyaning Rahayu, “the best partner” yang selalu tiada henti memberikan semangat dan motivasi serta menemani Penulis dalam meyelesaikan Tugas Akhir ini. Karyawan PT. Petrokimia Bapak Budi Satoto dan Bapak Danang terima kasih atas bantuan dalam mengarahkan pengambilan data. Keluarga M51 khususnya dan Mahasiwa Mesin yang tidak bisa Penulis sebutkan satu-persatu dan selalu membantu dan mendukung Penulis kapan pun dimanapun. Keluarga dari Himpunan Mahasiswa Mesin dan Mesin ITS Autosport khususnya MAUT 8 yang sangat dibanggakan walaupun Penulis tidak bisa berkontribusi dengan sangat berarti. Rekan-rekan seperjuangan TA, Anindika Bagus Pradana, Mehmed Khozin Al Asror, Setiadi, Adi M.I., Dina, Dani, Taurista, Devi, Andri, dll.p ak Nur, Pak Tris, Cak Bud, Cak To, Pak Noh, Bu Sri, dan Mbak Sri serta seluruh karyawan Teknik Mesin ITS lainnya, yang selalu dengan senyum ramahnya memberikan bantuan dan semangat untuk penulis. Pihak-pihak lain yang tidak dapat penulis sebut satu-persatu. DAFTAR PUSTAKA [1] Deutschman,A.D., Michels W.J., dan Wilson C.E. 1975. Machine Design. Macmillan Publishing Co, Inc, New York. [2] Karassik, I.J., dan Heald C.C. 2011. Pump Handbook. McGraw-Hill Book Company, New York. [3] Khetagurouv, M. Marine Auxilary Machinery and System. Peace Publisher, Moscow. [4] Lazarkiewicz, S., and Troskolanski, A. 1965. Impeller Pumps. Pergamon Press Ltd, New York. [5] SKF Catalogue (www.skf.com) [6] Yoga, M.A.D. 2009. Perancangan Pompa Sentrifugal untuk Menghasilkan Air terjun Buatan. Mahasiswa FTI ITS angkatan 2006, Surabaya.
