TBS Transportasi Bahan dan Sedimentasi
1
Bahan Ajar TRANSPORTASI BAHAN DAN SEDIMENTASI (TBS)
Disusun: Dr. Ir. Edia Rahayuningsih, MS. Rochim B. Cahyono, M.Sc
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA 2010
2
BAB I. ALAT TRANSPORTASI FLUIDA LEARNING OUTCOME Bab I ini adalah mahasiswa diharapkan dapat: 1. memahami karakteristik fluida dan mengetahui aplikasinya dalam transportasi fluida. 2. memahami jenis peralatan transportasi fluida yaitu, pipa, fitting, kran. 3. memilih ukuran standar pipa dan ukuran pipa ekonomis.
I. SIFAT FLUIDA Sifat fluida dapat dinyatakan dengan bermacam-macam parameter. Parameter sifat fluida yang dibicarakan dalam Bab I ini adalah sifar fluida yang berperan dalam aliran fluida. Di dalam matakuliah lain atau pokok bahasan yang lain dimungkinkan parameter sifat fluida lain yang akan dibicarakan.
Fluida disebut juga zat alir, bisa berupa gas, cairan, larutan, dan slurry.
Gas
Compressible
Cair
Padat
Incompressible Fluida
Encer
Kental
Parameter yang digunakan untuk menyatakan sifat fluida dalam lingkup transportasi fluida yaitu: 1. Densitas atau massa jenis (ρ). Densitas dengan satuan massa (kg, g, lb) per satuan volum (cm3, liter, ft3). Nilai densitas fluida dapat dicari dari pustaka yang dapat dinyatakan dalam specific gravity (ρ/ρs) atau densitas pada berbagai suhu.
3
Pengaruh suhu terhadap densitas: Rapat massa cairan akan turun, dengan naiknya suhu, tetapi tidak terlalu besar. Rapat massa gas akan turun, dengan naiknya suhu, dan dapat ditentukan dengan persamaan berikut: n( BM ) p ρ= = V RT Sering juga orang teknik menggunakan besaran specific gravity (sp.gr.). Definisinya adalah: sp gr A = ρA/ ρB Densitas pembanding dalam sp.gr.: • Untuk Cairan: air • Untuk Gas: udara (atau gas lain) 20o contoh : sp gr A = 0,85 o 4 Dapat juga dinyatakan dalam besaran specific volume. Specific volume = 1/density Pengaruh tekanan terhadap densitas: Rapat massa cairan sangat sedikit (tidak) terpengaruh oleh tekanan. Untuk itu cairan disebut sebagai fluida incompressible. Rapat massa uap/gas sangat terpengaruh oleh tekanan, seperti yang ditunjukkan pada persamaan ρ di atas. Untuk itu uap/gas disebut sebagai fluida
compressible. Secara umum: rapat massa cairan lebih besar dari rapat massa gas/uap atau nilai rapat massa cairan sekitar 1000x nilai rapat masa gas/uap. Coba perhatikan berapa nilai rapat massa air dan berapa nilai rapat massa udara
2. Viscositas atau kekentalan (µ) Viskositas dengan satuan massa (kg, g, lb) per satuan panjang (cm,, ft) per satuan waktu (jam, menit, detik) atau dinyatakan dalam satuan poise (p), centipoise (cp). 1 poise = 1 g/cm/det = 2,42 lb/ft/jam = 6,72 10-4 lb/ft/detik Nilai viscositas fluida dapat dicari dari pustaka, dapat juga dinyatakan dalam: viskositas absolut (µ) atau viskositas kinematik (ν=µ/ρ).
4
Viskositas kinematik mempunyai satuan stoke (st) 1 st = 1 cm2/detik = 10,7739 10-4 ft2/detik
Nilai Viskositas fluida sangat dipengaruhi oleh suhu tetapi tidak begitu terpengaruh oleh perubahan tekanan. Viscositas GAS akan naik dengan naiknya suhu dan hubungannya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
µ/µo = (T/273)n dengan µ = viskositas absolut pada suhu T, oK µo= viskositas absolut pada suhu 0oC atau 273 oK n = tetapan yang dipengaruhi oleh berbagai faktor, nilai n ini berkisar antara 0,65 sampai 1.
Persamaan Newton untuk aliran fluida:
τ = −µ
dv dx
Fluida dapat memenuhi persamaan Newton di atas, bila viskositasnya tetap dan disebut dengan fluida Newtonian. Fluida yang termasuk Newtonian adalah gas/uap dan cairan encer. Cairan kental
umumnya tidak mengikuti
persamaan Newton, sehingga
dinamakan fluida non-Newtonian. Pelat atas bergerak dengan kecepatan V m/s dv/dx
Pelat bawah diam
Profil kecepatan fluida di antara pelat atas dan bawah
5
Gambar shear stress (τ) vs shear rate (dv/dx) Secara umum: viskositas cairan > viskositas gas/uap
Sifat fisis metanol Temp. (ºC) 0 10 20 30 40 50
Density 3 (×1000 Kg/m ) 0.81 0.801 0.792 0.783 0.774 0.765
Viscosity Kinematic Viscosity 2 (Pa-s) (m /s) -4 -6 8.17 × 10 1.01 × 10 -4 -7 5.84 × 10 7.37 × 10 -4 -7 5.10 × 10 6.51 × 10 -4 -7 4.50 × 10 5.81 × 10 -4 -7 3.96 × 10 5.18 × 10
Surface Tension (N/m) -2 2.45 × 10 -2 2.26 × 10 -
Pengaruh suhu: • Viskositas cairan akan turun, bila suhunya naik. • Viskositas uap/gas akan naik, bila suhunya naik. Pengaruh tekanan: Viskositas cairan tidak banyak terpengaruh oleh perubahan tekanan. Viskositas gas/uap akan naik, dengan naiknya tekanan. Pada tekanan yang semakin tinggi, jarak molekul antar gas semakin kecil, sehingga gesekan antar molekul yang bergerak akan semakin besar.
6
Table of Fluid Properties (Liquids and Gases) Fluid
T (°F)
Density (slug/ft3)
v (ft2/s)
T (°C)
Density (kg/m3)
v (m2/s)
Liquids: Water
70
1.936
1.05e-5
20
998.2
1.00e-6
Water
40
1.94
1.66e-5
5
1000
1.52e-6
Seawater
60
1.99
1.26e-5
16
1030
1.17e-6
SAE 30 oil
60
1.77
0.0045
16
912
4.2e-4
Gasoline
60
1.32
4.9e-6
16
680
4.6e-7
Mercury
68
26.3
1.25e-6
20
13600 1.15e-7
Gases (at standard atmospheric pressure, i.e. 1 atm): Air
70
0.00233 1.64e-4
20
1.204
1.51e-5
Carbon Dioxide
68
0.00355 8.65e-5
20
1.83
8.03e-6
Nitrogen
68
0.00226 1.63e-4
20
1.16
1.52e-5
Helium
68
3.23e-4
20
0.166
1.15e-4
1.27e-4
3. TEGANGAN ANTAR MUKA (SURFACE/INTERFACIAL TENSION) (τA)
7
Antar dua fase, misalnya cair-uap/gas, terjadi tegangan antar muka. Hal ini terjadi, karena ada gaya yang menarik molekul cairan di permukaan agar tetap tinggal di fase cair. Tegangan antar muka cukup berpengaruh terhadap aliran dua fase (gascair, cair-cair). Satuannya dyne/cm atau Newton/meter (N/m). Simbol (τA) . Nilai besaran tegangan muka sangat dipengaruhi oleh senyawa yang terkandung dalam cairan. Ada senyawa yang dapat menurunkan tegangan muka sangat besar, yaitu surfactant (surface active agent). Tegangan muka akan turun, bila suhu naik. Tekanan tidak banyak berpengaruh terhadap tegangan muka secara langsung. Tegangan muka air-udara pada suhu ruangan 72 dyne/cm Tegangan muka cairan hidrokarbon 40 – 60 dyne/cm Antar fase cair-cair (2 cairan yang tak larut atau immiscible) juga ada tegangan antar fase, yang besarnya lebih rendah dari tegangan cair-gas. Secara umum, tegangan antar muka akan turun dengan naiknya suhu. Besaran ini sangat penting pada sistem dua fluida yang tidak saling melarut.
4. Berdasarkan DENSITAS nya Fluida dapat digolongkan dalam dua kelompok yaitu:
Fluida incompressible: Fluida incompressible adalah fluida yang tidak mengalami perubahan volum (V) dengan adanya penekanan (P), atau (δV/δP)T = 0. Atau dapat didefinisikan sebagai fluida yang tidak berubah sifatnya walau ditekan, sehingga densitas cairan tidak berubah dengan adanya penekanan. Fluida ini banyak dijumpai pada sebagian besar cairan dan sedikit gas.
8
Fluida compressible: Fluida compressible adalah fluida yang mengalami perubahan volum (V) dengan adanya penekanan (P), atau dapat dikatakan sebagai fluida yang berubah sifatnya jika ditekan, atau densitas berubah dengan adanya penekanan. Fluida ini banyak dijumpai pada gas.
HUBUNGAN ANTARA P – V – T PADA FLUIDA COMPRESSIBLE Untuk gas ideal hubungan antara suhu, tekanan, volume mengikuti hukum PV=nRT dengan P adalah tekanan (atm., pascal, bar, psia), V adalah volum (liter, cm3 , ft3), T adalah suhu (oC, oK, oF), n jumlah mol gas ( gmol, kgmol, lbmol), dan R adalah tetapan umum gas ideal yang nilainya tergantung dari satuan yang digunakan, misalnya R= 8,314 kj/kmol/oK, R= 1,987 kal/gmol/ oK, R= 82,05 (cm3 atm)/gmol/ oK.
Keadaan standar. Keadaan standar sering didefisikan sebagai suatu keadaan pada suhu (T) = 0oC atau 273,15 oK, tekanan (P)= 1 atmosfir. Pada keadaan ini volume (V) 1 mol gas ideal sebesar 22,412 cm3. Nilai ini diperoleh dari perhitungan sebagai berikut: V=
RT (82,05)(273,15) = = 22,412cm 3 P 1
Gas non ideal Untuk gas non ideal hubungan antara suhu, tekanan, dan volume dapat dituliskan sebagai berikut PV=ZnRT
(3)
Dengan Z adalah faktor kompresibilitas, nilai Z sangat dipengaruhi oleh suhu dan tekanan. Pada tekanan yang sangat rendah penyimpangan dari keadaan ideal disebabkan oleh gaya tarik diantara molekul, pada keadaan ini nilai Z kurang dari satu. Pada tekanan yang sangat tinggi penyimpangan dari keadaan ideal disebabkan karena perubahan volum molekul itu sendiri. Hubungan antara Z dengan tekanan dapat dituliskan sebagai berikut:
9
Z=
PV = 1 + B P + C P2 + D P3 + … RT
(4)
Atau dapat dituliskan dalam bentuk Z=1+
B' C ' D' + + + ..... V V2 V3
(5)
Nilai B, C, dan D disebut dengan koefisien virial yang nilainya tergantung pada sifat gas dan suhu. Berdasarkan korelasi ini dapat disimpulkan bahwa pada tekanan mendekati nol (P=0) atau V bernilai tidak terhingga maka nilai Z = 1, sehingga pada keadaan ini sifat gas non ideal sama dengan sifat gas ideal.
Banyak
persamaan
yang
dapat
digunakan
untuk
memperkirakan
hubungan antara besaran-besaran (P-V-T) gas non ideal. Salah satu persamaan yang cukup sederhana dan banyak digunakan adalah persamaan van der Waals, yang dituliskan sebagai berikut: n2 P + a 2 V
dengan b =
(V − nb ) = nRT
(6)
RTc tetapan yang besarannya merupakan fungsi incompressible 8 Pc
volum molekul gas,
a = tetapan yang nilainya dipengaruhi attractive forces V2
antar molekul gas tersebut, nilai a dapat diperkirakan dengan persamaan berikut 2
a=
27 R 2Tc . Bila P mendekati nol (P=0) dan nilai V=1 persamaan van der Waals 64 Pc
sama dengan persamaan gas ideal.
Hubungan antara sifat-sifat gas non ideal dapat ditentukan secara percobaan untuk jenis gas tertentu dapat dinyatakan dalam bentuk grafik faktor kompresibilitas versus suhu dan tekanan atau dinyatakan dalam bentuk perbandingan nilai PV pada keadaan standar dan pada keadaan tertentu untuk jenis gas tertentu.
10
A=
PV nRT = ( PV ) o (nRT ) o
(7)
dengan A faktor perbandingan yang berlaku untuk gas tertentu pada kondisi tertentu, sedang (PV)o adalah nilai PV pada keadaan standar T=273 oK dan P= 01,3 kN/m2.
. Nilai A dan grafik hubungan antara Z dan P-T dapat dilihat di
pustaka. Sebagai contoh disajikan hubungan antara Z vs P dan T untuk gas metan. Untuk gas yang berbeda akan mempunyai diagram Z vs P dan T yang berbeda. Berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan untuk berbagai jenis gas dapat disusun grafik faktor kompresibilitas yang dapat berlaku umum untuk berbagai jenis gas yang hubungannya dapat disajikan dalam bentuk Z vs suhu tereduksi (Tr) dan tekanan teredukksi (Pr) sebagai berikut (PR cari grafik di pustaka hubungan antara faktor kompresibilitas untuk berbagai gas dan uap). CONTOH SOAL GAS NON IDEAL Berapa volume tangki yang dibutuhkan untuk menyimpan 1 kmol gas metan pada suhu 320oK dan tekanan 60 MN/m2. Estimasi volume tangki yang dibutuhkan dapat dilakukan dengan cara-cara berikut ini: a. Hukum gas ideal b. Persamaan van der Waals c. Grafik faktor kompersibilitas gas yang dapat berlaku umum d. Gafik faktor kompresibilitas untuk gas metan e. Data percobaan laboratorium untuk gas metan (Perry, 1984)
a. Hukum gas ideal PV=nRT P= 60 MN/m2= 60 x 103 kN/m2 T= 320oK N=1 kmol R= 8,314 kN/kmol/ oK
11
V = 1 x 8,314 x 320/(60 103) = 0,0443 m3.
b. Persamaan van der Waals n2 P + a 2 V
(V − nb ) = nRT
dengan
b=
RTc dan 8 Pc
a=
27 R 2Tc 64 Pc
2
Kondisi kritis metan dapat dilihat dari pustaka, suhu kritis (Tc) = 191oK dan tekanan kritis (Pc) = 4640 kN/m2. b=
a=
8,314 x191 m3 dan = 0,0427 8 x 4640 c kmol
27 x(8,314) 2 x(191) 2 (kN / m 2 )(m 3 ) 2 /( kmol ) =229,3 (kN / m 2 )(m 3 ) 2 /(kmol ) 64 x 4640
(60 x 103 + 229,3 x
1 )(V-1 x 0,0427) = 1 x 8,314 x 320 V2
60.000 V3 – 5233 V2 + 229,3 V = 9,79 dengan cara coba-coba dapat ditentukan nilai V= 0,066 m3 c. Grafik faktor kompersibilitas gas yang dapat berlaku umum Tr=
T 320 = = 1,68 Tc 191
Pr =
P 60 x10 3 = = 12,93 Pc 4640
Dari Gambar 2 dapat ditentukan nilai Z = 1,33, Sehingga V dapat ditentukan sebagai berikut: P V = Z n R T V=
ZnRT 1,33 x1x8,314 x320 = = 0,0589m 3 3 P 60 x10
d. Gafik faktor kompresibilitas untuk gas metan T= 320 oK = 116,6 oF P= 60 106N/m2 (14,5038 psia/105 N/m2) =8702,28 psia Dari Gambar 1 nilai Z tidak dapat ditentukan karena nilai P sangat tinggi
e. Data percobaan laboratorium untuk gas metan (Perry, 1984) Data percobaan laboratorium untuk berbagai gas dapat ditentukan dengan korelasi berikut:
12
A=
PV ( PV ) o
dengan A faktor perbandingan yang berlaku untuk gas tertentu pada kondisi tertentu, sedang (PV)o adalah nilai PV pada keadaan standar T=273 oK dan P 101,3 kN/m2. Untuk gas metan pada P=60 103 N/m2 dan T=320oC nilai A = 1,565. V=
A( PV ) o 1,55 x 2,27 x10 6 = = 0,0592m 3 6 P (60 x10 )
Nilai berdasarkan pengukuran langsung untuk gas tersebut adalah merupakan nilai yang paling mendekati nilai sebenarnya, sedangkan nilai yang lain adalah merupakan nilai pendekatan. Perbandingan antara nilai pendekatan dengan nilai pengukuran langsung memberikan prosen kesalahan sebagai berikut: Hukum gas ideal = - 25,2%, Persamaan van der Waals = + 11,5%, dan Grafik faktor kompersibilitas gas yang dapat berlaku umum = - 0,5%. Berdasarkan perhitungan ini dapat disimpulkan bahwa perhitungan menggunakan grafik faktor kompresibilitas yang dapat berlaku umum memberikan kesalahan yang paling kecil (tidak berarti).
5. Turbulensi Pola aliran fluida dalam pipa dipengaruhi oleh beberapa peubah yaitu: 1. Diameter pipa (D) 2. Kecepatan rata-rata fluida dalam pipa (v) 3. Viskositas fluida dalam pipa (µ) 4. Densitas fluida (ρ) Hubungan antara peubah-peubah ini dinyatakan dalam kelompok tidak berdimensi yang dikenal dengan bilangan Reynolds (Re) Re =
Dvρ
µ
Berdasarkan nilai bilangan Reynolds pola aliran fluida dalam pipa dapat digolongkan dalam dua kelompok yaitu pola aliran laminer dan pola aliran turbulen. Pola aliran laminer terjadi pada kisaran bilangan Reynolds kurang dari
13
2100. Adapun pola aliran turbulen terjadi pada kisaran bilangan Reynolds lebih dari 4000. Kisaran bilangan Reynolds antara 2100 sampai 4000 disebut daerah transisi. Pola aliran ini sangat menentukan perhitungan-perhitungan dalam berbagai hal yang menyangkut aliran fluida dalam pipa (digunakan pada pembahasan berikutnya). laminer
turbulen
Jenis aliran ini dapat ditentukan dari besarnya bilangan Reynolds aliran tersebut. Bentuk bilangan Reynolds untuk aliran di dalam pipa adalah:
Re =
ρvd µ
(tak berdimensi)
dengan v : kecepatan linear aliran d : diameter dalam pipa Bila Re < 2100, aliran laminer. Bila Re > 4000, aliran turbulen. Untuk Re > 10.000, aliran turbulen sempurna. Nilai Re antara 2100 – 4000 adalah aliran transisi. Untuk patokan, secara umum, fluida mengalir dalam pipa diinginkan pada kondisi turbulen. Kecepatan linear cairan berkisar antara 1 – 10 m/s. Kecepatan linear gas/uap 10 – 30 m/s. Bila cairannya sangat kental, baru dipertimbangkan mengalir pada kondisi laminer.
14
Bila ingin memisahkan fase dari aliran dua fase, maka alirannya dibuat sangat laminer (Re sangat rendah).
Laminar flow
Turbulent flow visualization
Laser - induced florescence image of an incompressible turbulent turbulent boundary layer
Simulation of turbulent flow coming out of a tailpipe uz Uz average úz
ur Ur average úr p
15
Pipe Entrance
6. Pipa dan fitting Fluida dipindahkan dari tempat yang satu ketempat yang lain dapat melalui saluran terbuka (open channels) atau saluran tertutup (closed ducks). Saluran tertutup yang banyak dijumpai dalam industri kimia adalah sistim pemipaan (pipa dan fitting). Adapun yang dimaksud dengan fitting adalah perlengkapan yang dibutuhkan pada pemipaan sambungan, belokan, percabangan, kran, dan pengubah ukuran. Hal – hal yang perlu difahami tentang pipa dan fitting dapat digolongkan menjadi dua yaitu jenis dan ukuran standar.
A. Jenis pipa dan fitting Berdasarkan bahan pembuatnya pipa dan fitting digolongkan menjadi dua yaitu:
16
1. Logam
1a. Ferrous metallic pipe 1b.Non ferrous metallic pipe
2. Non logam
Ferrous melallic pipe Standarisasi jenis ini dibuat oleh American Standart Association (ASA), pipa yang masuk jenis ini yaitu: Wrought-iron (besi tempa); sifatnya tahan terhadap korosi biasanya digunakan untuk pemipaan air panas dan instalsi bawah tanah. Wrought-steel pipe, pipa jenis ini banyak digunakan untuk keperluan umum. Electric resistance welded steel pipe, digunakan untuk instalasi suhu tinggi (>260oC). Stainless steel pipe, untuk bahan yang sangat korosif atau untuk industri makanan. Non Ferrous melallic pipe Yang termasuk jenis ini yaitu pipa dari tembaga, nikel, perunggu, dan kuningan. Pipa jenis ini untuk keperluan khusus yaitu untuk bahan yang korosif dan untuk instalasi perpindahan panas (daya hantar baik).
Non logam Yang termasuk pipa non logam yaitu abestos cement pipe, carbon, graphite, pvc, gelas, dan keramik.
B. Ukuran standar pipa dan fitting Pipa dan fitting mempunyai ukuran standar yang dibuat oleh ASA. Ukuran standar yang dapat berlaku umum yaitu untuk pipa dari logam, sedangkan untuk pipa yang non logam tidak ada standar yang berlaku umum atau untuk pipa dari bahan yang tertentu mempunyai standar yang tertentu pula.
17
Ukuran panjang Panjang pipa standar yaitu 16 ft sampai 22 ft, sehingga dalam pemipaan diperlukan fitting (sambungan), untuk mendapatkan panjang pipa seperti yang dikehendaki.
Diameter pipa Ukuran pipa dan fitting dinyatakan dalam bentuk diameter nominal (NPS = nominal pipe size) dan tebal dinding.. Diameter nominal tidak merupakan diameter dalam atau diameter luar, untuk pipa baja diameter nominal mempunyai harga antara 1/8 inci sampai 30 inci.
Tebal pipa Tebal dinding pipa standar dinyatakan dengan Schedule Number (Sch.No.). Sch.No ditentukan berdasarkan tekanan dalam pipa dan stress yang diperbolehkan untuk jenis pipa yang digunakan. Oleh karena itu tebal dinding pipa bukan merupakan besaran standar yang berlaku umum atau tebal dinding pipa berlaku untuk jenis pipa yang tertentu. Sch. No. =
1000 P S
(8)
Dengan P = tekanan kerja dalam pipa (gaya/luas) S=allowable stress pipa tersebut pada kondisi operasi tertentu (gaya/luas) Ada 10 nilai Sch.No. yang dapat dijumpai yaitu 12, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, dan 160. Pemilihan Sch. No. yang digunakan harus lebih tinggi dari nilai Sch,No. yang diperlukan sehingga akan aman. Dengan informasi Sch.No. (tebal pipa) dan NPS maka dapat ditentukan diameter luar dan dalam pipa tersebut. Tabel yang menyatakan ukuran standar untuk jenis pipa tertentu dapat dilihat di berbagai pustaka. Pada tulisan ini diberikan satu contoh ukuran standar pipa baja yang dinyatakan pada Daftar I. ====================================================
18
Daftar I. Ukuran standar pipa baja Pipe Scheduling Schedule 10 **
Pipe
Schedule 40 **
Schedule 80 **
Size (in)
Nom. OD (in)
ID (in)
Wall Thick . (in)
ID (in)
Wall Thick . (in)
ID (in)
Wall Thick . (in)
1/8
0.405
0.307
0.049
0.269
0.068
0.215
0.095
1/4
0.540
0.410
0.065
0.364
0.088
0.302
0.119
3/8
0.675
0.545
0.083
0.493
0.091
0.423
0.126
1/2
0.840
0.674
0.083
0.622
0.109
0.546
3/4
1.050
0.884
0.109
0.824
0.113
1
1.315
1.097
0.109
1.049
1-1/4
1.660
1.442
0.109
1-1/2
1.900
1.682
2
2.375
2-1/2
Schedule 160 ** ID (in)
Wall Thick . (in)
0.147
0.466
0.187
0.742
0.154
0.614
0.218
0.133
0.957
0.179
0.815
0.250
1.380
0.140
1.278
0.191
1.160
0.250
0.109
1.610
0.145
1.500
0.200
1.338
0.281
2.157
0.109
2.067
0.154
1.939
0.218
1.689
0.343
2.875
2.635
0.120
2.469
0.203
2.323
0.276
2.125
0.375
3
3.500
3.260
0.120
3.068
0.216
2.900
0.300
2.626
0.437
4
4.500
4.260
0.120
4.026
0.237
3.826
0.337
3.438
0.531
5
5.563
5.295
0.134
5.047
0.258
4.813
0.375
4.313
0.625
6
6.625
6.357
0.134
6.065
0.280
5.761
0.432
5.189
0.718
8
8.625
8.329
0.148
7.981
0.322
7.625
0.500
6.813
0.906
7. PEMILIHAN UKURAN PIPA Jika fluida dapat mengalir dengan sendirinya (disebabkan karena grafitasi) tanpa bantuan pompa, maka pipa yang dipilih sekecil mungkin tetapi masih memberikan aliran yang normal. Jika dalam mengalirkan fluida diperlukan tambahan energi mekanik yang diberikan oleh pompa atau kompresor maka perlu dipilih ukuran pipa agar memberikan total biaya yang sekecil mungkin. Untuk debit yang sama bila diameter pipa besar biaya pembelian pipa tinggi tetapi kecepatan aliran fluida rendah, sehingga dengan menggunakan diameter yang besar
19
gesekan yang terjadi antara dinding pipa dan fluida yang mengalir lebih rendah sehingga biaya pemompaan juga lebih rendah.
Kisaran kecepatan optimum fluida mengalir dalam pipa Kecepatan,
Penurunan tekanan, kPa/m
m/detik Cairan tak dipompa
-
0,05
1-3
0,5
Gas/Uap
15-30
0,02 dari tekanan operasi
Uap tekanan tinggi> 8 bar
30-60
-
Cairan
dipompa
tidak
kental
Rase (1953) menggunakan hubungan antara kecepatan dengan diameter dalam pipa: Kecepatan, m/detik Discharge pompa
(0,06d+0,4) m/detik
Suction pompa
(0,02d+0,1) m/detik
Steam/uap
0,2 d m/detik
Dengan d = diameter dalam pipa dengan satuan mm. Simson (1968) menggunakan hubungan antara kecepatan optimum dengan densitas fluida: rho, kg/m3 Kec., m/detik
1600 2,4
800 3
160 4,9
16 9,8
0,16 18
0,016 34
Kecepatan maksimum harus dijaga agar tidak terjadi erosi, untuk gas/uap umumnya kecepatan maksimum 0,3 dari kecepatan suara.
8. DIAMETER EKONOMIS Harga pipa akan naik dengan semakin besarnya diameter, tetapi biaya pemompaan akan turun dengan semakin besarnya diameter pipa karena gesekan akan berkurang. Diameter ekonomis adalah diameter pipa yang memberikan biaya total (biaya pembelian pipa dan fitting + pemompaan) yang paling rendah (minimum).
20
Dari pertimbangan harga pipa, fitting dan instalasi yang diyatakan dengan: K(1+F).dn maka diameter optimum diperoleh: 1
19,8.1010.H . p.G 0, 24 .µ 0,16 .ρ −2 4,84+ n dopt = E.n.K .(1 + F ).(a + b) dengan: H : waktu operasi pertahun, jam/th p : harga listrik,/Kwh E : efisiensi pompa, % G : kecepatan aliran, kg/det d : diameter pipa,m ρ : densitas fluida, kg/m3 µ : kekentalan fluida, kg/(m/det) a : capital charge,% b : biaya perawatan, % K : koefisien yang menunjukkan hubungan antara harga pipa dengan diameter F : harga fitting dan instalasi n : pangkat untuk d jika disederhanakan: H : untuk pabrik Kimia, 8000 jam/thn E diambil 0,6 F : 1,5-6,75 K dan n tergantung jenis pipa, misal untuk Carbon steel harga = K dn = 3,9 d0,6 dalam poundsterling/m Stainless steel harga = 1,6 d0,9 dalam poundsterling/m Maka diperoleh untuk Carbon steel: dopt = 352,8 G0,52 µ0,03 ρ-0,37 Karena pangkat µ kecil maka dapat dianggap tetap : µ0,03 = 0,8 sehingga dopt untuk Carbon steel = 282 G0,52 ρ-0,37 Sedangkan dopt untuk stainless steel = 226 G0,5 ρ-0,35 Untuk perkiraan cepat dapat juga digunakan grafik di Perry, fig. 3,52, pada Sec.5. hal. 31. ( cari Gambarnya dan perhatikan) Contoh: Perkirakan ukuran pipa ekonomis jika air mengalir 10 kg/det, pada 200C, dan digunakan Carbon steel pipe. Diketahui ρ air = 1000 kg/m3 dan µ air = 1,1 10-3 kg/(m.det) dopt = 282 G0,52 ρ-0,37 = dopt = 282(10)0,52 (1000)-0,37 = 72,5 mm, dapat dipilih d = 80 mm 4.G 4.10 dicheck Re = = = 145.000, turbulen πµ .D π .1,1.10 −380.10 −3
21
9. FITTING Fitting merupakan satu potongan yang berfungsi salah satu: 1. Menggabungkan dua batang pipa, misal coupling, union 2. Mengubah arah aliran pipa, missal elbow, tee 3. Mengubah diameter pipa, misal reducer 4. Mengakhiri jaringan pipa, misal plug, valve 5. Menggabungkan dua aliran menjadi aliran satu, misal tee 6. Mengontrol aliran misal kran atau valve Gambar-gambar contoh fitting
10. KRAN ATAU VALVE Kran termasuk salah satu jenis fitting yang berfungsi untuk mengontrol aliran atau untuk membuka/menutup aliran. Pemilihan jenis kran yang akan digunakan tergantung beberapa hal: - jenis fluida yang mengalir - jumlah aliran - tujuan/fungsi kran : 1. untuk control kecepatan kran yang panjang ekvivalennya besar missal gate valve, globe valve, dan needle valve 2. untuk control arah aliran (missal aliran balik tidak dinginkan) maka dapat digunakan swing check valve, angle check valve dan ball check valve 3. untuk membuka/menutup aliran (shut off valves) Untuk shut off valves maka harus betul-betul dapat tertutup rapat pada waktu tertutup, dan memberikan tahanan aliran yang kecil jika sedang terbuka. Jenis Gate, plug dan ball valves dapat digunakan untuk tujuan ini. Untuk control kecepatan aliran, maka kran harus dapat memberi pengaturan yang baik (smooth control) pada keseluruhan kisaran aliran dari keadaan tertutup rapat sampai terbuka sempurna. Untuk tujuan ini dapat digunakan globe valves, sedangkan untuk control gas/uap dapat digunakan jenis butterfly valves. Gate valves : dengan memutar stem, maka disk akan naik atau turun, naik maka lubang aliran fluida lebih besar, sehingga kecepatan aliran lebih tinggi. Dengan hanya memutar sedikit saja, lubang aliran akan naik dengan cukup besar, sehingga akan sulit digunakan untuk mengontrol kecepatan aliran. Kran ini cocok untuk pembuka/penutup aliran. Gate valve dibuat dua macam yaitu rising stem valve dan non rising stem valve.
22
11. DIMENSI, SATUAN, DAN KONVERSI Dimensi adalah suatu cara/pernyataan untuk memberikan deskripsi tentang macam besaran fisis yang ditinjau, Contoh panjang (L), massa (M), waktu (t), suhu (T), gaya (F) dan energi (E). Sistim demensi: 1. Dimensi absolute (M,L,t,T) 2. Grafitasional atau sistim Engineering (F,L,t,T) Energi (E,M,L,t,T) Hubungan antara gaya dan massa dinyatakan dengan hukum Newton: Gaya sama dengan perubahan momentum persatuan waktu d (m.v) F’ = dt Dimensi gaya sistim absolute = massa . kecepatan/ waktu = m. L/t2. Untuk massa yang tetap F’ = m.a dimana a = percepatan atau dv/dt Sedang untuk sistim Engineering F = a/gc = F’/gc F adalah gaya yang dinyatakan dengan sistim Engineering dimensinya F, satuan misal dalam lbf. Sehingga gc = factor konversi Newton = 32,17 (lb. ft) / (lbf.s2) = 1 kg.m/ N.det2 yang harganya tetap tidak tergantung tempat. Kerja adalah gaya dikalikan jarak yang ditempuh, dimensinya untuk sistim absolute = m.L2/ t2 sedangkan untuk sistim Engineering = F.L. Satuan adalah suatu bentuk pernyataan yang dipakai untuk menunjukkan ukuran dari suatu dimensi besaran fisis tertentu. Contoh satuan Inggris, satuan Internasional, dan lain-lain. Contoh satuan gaya : dyne, lbf, Newton, kgf., Satuan Energi: erg, Joule, ft.lbf, Btu. Untuk mengubah satuan suatu besaran dari satu satuan ke satuan lainnya diperlukan konversi.
23
