Tugas UO 2 (Mekanika Fluida)

“Pemompaan Alkohol 60% dari Tangki Penampung ke Kolom

Destilasi dengan Tinggi 12 meter dan Debit 60 lt/det”

Disusun oleh:

Kelompok 2 / Kelas 1

1. Ambarsari (21030112130120)

2. Dani Puji Utomo (21030112130131)

3. M. Barin Elyasa (21030112140172)

4. Ulul Ilma Navia (21030112140185)

5. Vicky Kartika Firdaus (21030112130146)

JURUSAN S-1 TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

2014

BAB I

PENDAHULUAN

Mekanika fluida berhubungan dengan perilaku fluida pada keadan diam dan bergerak.

Pada logikanya, fluida merupakan substansi yang terdeformasi secara berkelanjutan yang

diakibatkan oleh adanya tegangan geser walaupun seberapa kecilnya nilai dari tegangan geser

tersebut. Fluida terdiri dari fasa cair, gas dan padat. Perbedaan antara fluida cair dengan

fluida padat sangat jelas yakni jika dibandingkan reaksi fisik dari keduanya. Fluida padat

memiliki keterbatasan reaksi deformasi ketika menerima gaya geser, yakni deformasi tidak

akan berkelanjutan seiring perubahan terhadap waktu.

Fluida adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distorsi) secara

permanen. Bila kita mencoba mengubah bentuk suatu massa fluida, maka di dalam fluida

tersebut akan terbentuk lapisan-lapisan di mana lapisan yang satu akan mengalir di atas

lapisan yang lain, sehingga tercapai bentuk baru. Selama perubahan bentuk tersebut, terdapat

tegangan geser (shear stress), yang besarnya bergantung pada viskositas fluida dan laju alir

fluida relatif terhadap arah tertentu. Bila fluida telah mendapatkan bentuk akhirnya, semua

tegangan geser tersebut akan hilang sehingga fluida berada dalam keadaan kesetimbangan.

Pada temperatur dan tekanan tertentu, setiap fluida mempunyai densitas tertentu. Jika

densitas hanya sedikit terpengaruh oleh perubahan yang suhu dan tekanan yang relatif besar,

fluida tersebut bersifat incompressible. Tetapi jika densitasnya peka terhadap perubahan

variabel temperatur dan tekanan, fluida tersebut digolongkan compresible. Zat cair biasanya

dianggap zat yang incompresible, sedangkan gas umumnya dikenal sebagai zat yang

compresible.

Perilaku zat cair yang mengalir sangat bergantung pada kenyataan apakah fluida itu

berada di bawah pengaruh bidang batas padat atau tidak. Di daerah yang pengaruh gesekan

dinding kecil, tegangan geser dapat diabaikan dan perilakunya mendekati fluida ideal, yaitu

incompresible dan mempunyai viskositas 0. Aliran fluida ideal yang demikian disebut aliran

potensial. Pada aliran potensial berlaku prinsip-prinsip mekanika Newton dan hukum

kekekalan massa. Aliran potensial mempunyai 2 ciri pokok:

1. tidak terdapat sirkulasi ataupun pusaran sehingga aliran potensial itu disebut aliran

irotasional

2. tidak terjadi gesekan sehingga tidak ada disipasi (pelepasan) dari energi mekanik

menjadi kalor.

Prinsip-prinsip dasar yang paling berguna dalam penerapan mekanika fluida adalah

persamaan-persamaan neraca massa atau persamaan kontinuitas; persamaan-persamaan

neraca momentum linear dan neraca momentum angular (sudut), dan neraca energi mekanik.

Persaman-persamaan itu dapat dituliskan dalam bentuk diferensial yang menunjukkan

kondisi pada suatu titik di dalam elemen volume fluida, atau dapat pula dalam bentuk integral

yang berlaku untuk contoh volume tertentu atau massa tertentu.

Transportasi fluida dilakukan dengan 2 cara yaitu dengan pengangkutan yang

menggunakan tempat dan dengan pengaliran fluida pada jaringan pengaliran yang sudah

tertentu. Cara pengaliran ada 2 macam, yaitu sistem terbuka yang berhubungan dengan udara

luar dan sistem tertutup yang biasanya menggunakan pipa. Dalam industri kimia yang perlu

diperhitungkan atau diperhatikan secara khusus dalam perancangan adalah sistem aliran

fluida secara tertutup yang dilakukan dalam pipa.

Dalam perancangan pengaliran secara tertutup, perlu diperhatikan sifat dari fluidanya.

Desain dari transportasi fluida bahan dari satu tempat ke tempat lain yang melibatkan pompa,

pipa, dan sambungan-sambungan pada pipa, akan sangat dipengaruhi oleh sifat aliran bahan,

sebagai contoh, daya pompa untuk mengalirkan bahan yang kental akan berbeda dengan

daya pompa untuk bahan yang cair. Oleh sebab itu, kondisi operasinya perlu dirancang

sedemikian rupa sehingga bisa memenuhi persyaratan untuk mengalirkan masing-masing

fluida.

BAB II DESKRIPSI

PROGRAM

1. Spesifikasi Bahan, Alat, dan Kondisi Operasi

A. Bahan

1. Ethanol murni

Konsentrasi : 100% b/b

Densitas : 0,78506 g/cm3

Viskositas : 1,2 cP

Temperatur : 77°F (25°C)

2. Air murni

Konsentrasi : 100% b/b

Densitas : 0,997 g/cm3

Viskositas : 8,96 x 10-4 Kg/m.s

Temperatur : 77°F (25°C)

3. Ethanol 60% b/b

Densitas

Viskositas

[ ]

[ ]

Temperatur : 77°F (25°C)

B. Alat

Tangki Penampung

Fungsi : Menampung etanol 60% sementara

Jenis : Tangki silinder tegak dengan tutup bawah dan atas elipsoidal

Jumlah : 1 tangki

Bahan : Carbon Steel SA-287 grade C

Diameter : 26.2467 ft

Tinggi : 32,8084 ft

Volume : 17751,0623 ft3

Pdesain : 14,6959 lbf/in2

Tebal plat : 2 in

Pompa

Fungsi : Memompakan larutan etanol 60% ke menara destilasi

Jenis : centrifugal pump

Jumlah : 1 buah

Bahan : Commersial steel/Wrought Iron

Debit : 2,1189 cuft/s

Nominal size pipe : 10 in

Schedule number : 40

ID : 10,020 in

OD : 10,750 in

Luas penampang pipa : 0,5475 ft2

Efisiensi motor : 75%

Daya pompa : 14,5523 HP

Daya motor : 19,4031 HP

Menara Distilasi (MD)

Fungsi : Mendestilasi etanol 60 % menjadi etanol 96 %

Jenis : sieve tray

Bahan Konstruksi : carbon steel SA 283 grade C

Jumlah : 1 unit

Kondisi Op e r a si Temperatur

: 194°F Tekanan :

14,6959 psi Diameter :

13.1234 ft Tinggi :

39.3701 ft Tebal :

3/16 in

Pipa

Fungsi : Mentransportasikan cairan ethanol 60% dari tangki ke kolom distilasi

Jenis : Straight pipe

Bahan Konstruksi : Commercial steel/Wrought Iron

Nominal size pipe : 10 in

Schedule number : 40

ID : 10,020 in

OD : 10,750 in

Luas penampang pipa : 0,5475 ft2

Panjang pipa : 183,7270 ft

Fittings

a. Elbow

Fungsi : Membelokkan pipa.

Jenis : 90 degrees standard elbow

Bahan Konstruksi

ID

: Commercial steel

: 10,020 in

b.

Equivalent Length

Gate valve

: 25,05 ft

Fungsi

Jenis

: Membuka dan menghentikan aliran fluida

: Fully Open

Bahan Konstruksi

ID

: Commercial steel

: 10,020 in

c.

Equivalent Length

Globe Valve

: 10,86 ft

Fungsi

Jenis

: Untuk mengatur aliran fluida pada pipa

: Conventional, fully open

Bahan Konstruksi

ID

: Commercial steel

: 10,020 in

d.

Equivalent Length

Venturimeter

: 283,90 ft

Fungsi : Instrument yang digunakan mengukur aliran fluida

pada pipa.

Jenis

Dmeter/Dpipa

: Conventional

: 0,7

Equivalent Length : 100,20 ft

e. Entrance (Keluar tangki)

Fungsi

Jenis

: Pengeluaran fluida dari tangki ke pipa.

: Ordinary entrance, Sharp edged entrance

Bahan Konstruksi

ID

: Commercial steel

: 10,020 in

K

Equivalent Length

: 0,5

: 25,05 ft

f. Exit (Masuk Tangki)

Fungsi : Pemasukkan fluida dari pipa ke tangki

Jenis

Bahan Konstruksi

: Sudden enlargement, Sharp edged exit

: Commercial steel

ID

K

: 10,020 in

: 1,0

Equivalent Length : 50,10 ft

2. Perhitungan daya pompa dan motor

Data-data : ⍴ : 54,2701 lbm/cuft

µ : 7,2465 x10-4 lbm/ft.s

qf : 2,1189 cuft/s

Kondisi :

Adiabatis dan Isotermal

Persamaan bernoulli :

a. Perhitungan diameter optimum (Dopt)

Untuk Di > 1 in, karena debit cukup besar yaitu 60 l/det (2,1189 cuft/s)

b. Penentuan nominal size, diameter dalam, dan diameter luar

Dari nilai Dopt, kemudian dicari nilai nominal size berdasarkan tabel standar pipa

baja (lampiran 1).

Sch : 40

Nominal size : 10 in

Din : 10,020 in

Dout : 10,750 in

Area : 0,5475 ft2

c. Penentuan nilai relative roughness ( )Berdasarkan grafik hubungan diameter bahan dengan jenis bahan (lampiran 2),

untuk pipa jenis baja komersial (commercial steel) dengan diameter pipa 10,020

in, maka nilai ( ) =

0,00018.

d. Penentuan nilai faktor friksi (f)

Untuk menentukan faktor friksi dibutuhkan data bilangan Reynold,

Nilai faktor friksi dapat diperoleh menggunakan data bilangan Reynolds dan

relative roughness pada grafik hubungan faktor friksi, relative roughness dan

bilangan reynolds (lampiran 3).

e. Menentukan nilai friksi total (∑F)

Pipa dan

fitting

Jenis Jumlah

(n)

Le

(ft)

n.Le

Pipa Straight - 183,73 183,73

Elbow Standard 90° 9 25,05

(lampiran 4)

225,45

Gate valve Fully open 3 10,86

(lampiran 4)

35,56

Globe valve Fully open 1 283,90

(lampiran 4)

283,90

Entrance Conventional,

sharp edged

1 25,05

(lampiran 4 & 5)

25,05

Exit Conventional,

sharp edged

1 50,10

(lampiran 4 & 5)

50,10

Venturi Conventional 1 100,20

(lampiran 6)

100,20

∑n.Le 903,99

( )

f. Menghitung daya pompa (Preal)

Aliran steady state maka ∆v = 0

Tekanan tangki dan kolom distilasi sama maka ∆P = 0

Beda elavasi ∆z = 39,37 ft

Daya pompa adalah hasil kali (-wf) dengan laju kapasitas massa (qm)( )( )

Untuk menghitung daya pompa nyata diperlukan efisiensi pompa, efisiensi (η)

dihitung menggunakan grafik hubungan efisiensi dengan kapasitas (lampiran 7).

Berdasarkan grafik pada lampiran 6, maka dengan debit 951,12 gal/min diperoleh

effisiensi pompa sebesar 60%.

g. Perhitungan daya motor.

Efisiensi motor adalah 75%

3. Pemilihan Jenis Pompa

Pada proses distilasi alkohol ini digunakan jenis pompa sentrifugal. Dalam

kehidupan sehari-hari pompa sentrifugal banyak memberikan berbagai manfaat besar

bagi manusia, terutama pada bidang industri. Pompa sentrifugal mempunyai prinsip kerja

yaitu mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis)

melalui suatu impeller yang berputar dalam casing.

Pompa sentrifugal adalah jenis yang paling banyak digunakan dalam industri kimia

untuk mentransfer cairan dari semua bahan yaitu jenis bahan baku ataupun produk jadi

untuk layanan umum penyediaan air, umpan boiler, sirkulasi kondensor, kondensat,dll.

Pompa ini tersedia melalui berbagai macam ukuran, dalam kapasitas dari kapasitas

rendah 0,5 m3 / jam sampai kapasitas tinggi 2 × 104 m3/ jam (2 gal / menit – 105 gal /

min), dan discharge head (tekanan) dari beberapa meter ke sekitar 48 MPa (7000

lbf/in2). Keuntungan utama dari pompa sentrifugal adalah:

1. Struktur Sederhana dan kuat

Pompa sentrifugal, dalam bentuk yang paling sederhana, terdiri dari impeller yang

berputar di dalam casing atau selubung. Impeller terdiri dari sejumlah pisau, baik

terbuka atau tertutup, terpasang pada poros yang berada di luar selubungnya.

Gambar Pompa sentrifugalSumber : Perry Chemical Engineering Handbook

2. Harga murah

Konstruksi yang sederhana menyebabkan pompa sentrifugal relatif lebih murah dari

pompa lainnya yang mempunyai strukur kontruksi lebih rumit dan pada umumnya

untuk volume yang sama dengan pompa displacement, harga pembelian pompa

sentrifugal lebih rendah.

3. Aliran seragam (nonpulsating)

Aliran fluida tidak terputus-putus.

4. Biaya perawatan yang rendah,

Tidak banyak bagian-bagian yang bergerak (tidak ada katup dan sebagainya),

sehingga pemeliharaannya mudah dan murah.

5. Operasi yang tenang.

Operasinya berjalan dengan tenang, sehingga pondasi dapat dibuat ringan.

6. Lebih sedikit memerlukan tempat

7. Kemampuan beradaptasi untuk digunakan dengan motor atau drive turbin.

Jumlah putaran tinggi, sehingga memberi kemungkinan untuk pergerakan langsung

oleh sebuah elektromotor atau turbin.

Berikut spesifikasi dan kondisi operasi pompa sentrifugal yang digunakan :

Fungsi : Memompakan larutan etanol 60% ke menara destilasi

Jenis : centrifugal pump standard

Bahan : Stainless steel

Debit : 60 liter/detik

Nominal size pipe : 10 in

Schedule number : 40

ID : 10,020 in

OD : 10,750 in

Luas penampang pipa : 0,5475 ft2

Daya pompa : 14,5523 Hp

Daya motor : 19,4031 Hp

Efisiensi Motor : 75%

Cara Kerja Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal bekerja berdasarkan prinsip gaya sentrifugal yaitu bahwa benda

yang bergerak secara melengkung akan mengalami gaya yang arahnya keluar dari titik

pusat lintasan yang melengkung tersebut. Besarnya gaya sentrifugal yang timbul

tergantung dari masa benda, kecepatan gerak benda, dan jari-jari lengkung lintasannya.

Pompa digerakkan oleh motor, daya dari motor diberikan kepada poros pompa untuk

memutar impeler yang dipasangkan pada poros tersebut. Zat cair yang ada dalam impeler

akan ikut berputar karena dorongan sudut‐sudut. Karena timbulnya gaya sentrifugal,

maka zat cair mengalir dari tengah impeler keluar melalui saluran diantara sudut dan

meninggalkan impeller dengan kecepatan yang tinggi. Zat cair yang keluar dari impeler

dengan kecepatan tinggi ini kemudian mengalir melalui saluran yang penampangnya

makin membesar (volute/diffuser), sehingga terjadi perubahan dari head kecepatan

menjadi head tekanan. Maka zat cair yang keluar dari flens keluar pompa head totalnya

bertambah besar. Pengisapan terjadi karena setelah zat cair dilemparkan oleh impeler,

ruang diantara sudut‐sudut menjadi vakum sehingga zat cair akan terisap masuk. Selisih

energi per satuan berat atau head total dari zat cair pada flens keluar (tekan) dan flens

masuk (isap) disebut head total pompa.

Gambar bagian‐bagian pompa sentrifugal

BAB III

KESIMPULAN

Transportasi fluida dilakukan dengan 2 cara, salah satunya adalah cara pengaliran. Ada

2 macam cara pengaliran, yaitu sistem terbuka yang berhubungan dengan udara luar dan

sistem tertutup yang biasanya menggunakan pipa. Dalam industri kimia yang perlu

diperhitungkan atau diperhatikan secara khusus dalam perancangan adalah sistem aliran

fluida secara tertutup yang dilakukan dalam pipa. Dalam perancangan pengaliran secara

tertutup, perlu diperhatikan sifat dari fluidanya karena akan mempengaruhi pemilihan

pompa, pipa, dan sambungan-sambungan pada pipa. Oleh sebab itu, kondisi operasinya perlu

dirancang sedemikian rupa sehingga bisa memenuhi persyaratan untuk mengalirkan masing-

masing fluida.

Pada proses distilasi alkohol ini alat yang digunakan adalah pipa dengan jenis straight

pipe, menara destilasi, tangki penampung, serta beberapa macam fittings. Selain itu juga

digunakan pompa dengan jenis pompa sentrifugal. Setelah melalui proses perhitungan,

ternyata daya pompa dan daya motor yang di butuhkan untuk memompakan larutan etanol

60% ke menara destilasi adalah 15,5523 Hp dan 19,4031 Hp.

Dalam kehidupan sehari-hari pompa sentrifugal banyak memberikan berbagai manfaat

besar bagi manusia, terutama pada bidang industri. Pompa sentrifugal mempunyai prinsip

kerja yaitu mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis)

melalui suatu impeller yang berputar dalam casing.

DAFTAR PUSTAKA

htt p:/ /en.wiki pedia.org/w iki /Ethanol_(data_pa ge)

Brown, G.G. 1978. Unit Operations. John Wiley & Sons, Inc. New York.

Handayani, Sri Utami. Bahan Ajar Pompa dan Kompresor. Universitas Diponegoro

Holman, J.P.(Ed). 2010. Heat Transfer 10th Ed. McGraw-Hill Book Company, New york

Ikhsan, D., Suherman. 2002. Operasi Teknik Kimia I. Diktat Mata Kuliah Jurusan Teknik

Kimia. Fakultas Teknik. Universitas Diponegoro

Perry. R.H, Jhon H.(Ed).2008.Perry’s Chemical Engineers’ Handbook.Edisi Kedelapan,

McGraw-Hill Book Company, New york

LAMPIRAN

Lampiran

(sumber : Brown, 1978)

Tabel 1. Dimensi Pipa Standar

Lampiran

Gambar 1. Grafik hubungan relative roughness, diameter pipa dan jenis pipa (Brown, 1978)

Lampiran

Gambar 2. Hubungan relative roughness dengan Reynolds dan factor friksi (Brown, 1978)

Lampiran 4.

Tabel 2. Tabel panjang Ekivalen

(Sumber : Diktat mata kuliah Operasi Teknik Kimia, oleh Ir. Diyono Ikhsan dan SuhermanST.MT)

Lampiran

Gambar 3. Nomogram panjang ekivalen dan harga K

Lampiran

Gambar 4. Grafik hubungan diameter dengan panjang ekivalen (Diktat Makul OTK I)

Lampiran

Gambar 4. Grafik hubungan kapasitas dengan efisiensi pompa (warthington pump. Inc dalamDiktat Makul OTK I)