POMPA. Perancangan Alat Proses. Abdul Wahid Surhim 2016

POMPA

Perancangan Alat Proses

Abdul Wahid Surhim 2016

Rujukan

1. Jacques Chaurette. 2005. TUTORIAL CENTRIFUGAL PUMP SYSTEMS. Fluid Design inc. Canada

2. Towler and Sinnot. Chapter 5 Piping and Instrumentation. In

Chemical Engineering Design.

3. Jacques Chaurette. 2003. TOTAL HEAD, N.P.S.H. AND OTHER

CALCULATION EXAMPLES. www.lightmypump.com

4. Jacques Chaurette. 2006. TUTORIAL NPSHA FOR THOSE WHO HATE THAT STUFFY WORD. www.lightmypump.com

5. Jacques Chaurette. 2003. PUMP PERFORMANCE MEASUREMENTS.

www.lightmypump.com

6. Robert Stover. PUMPS. Bioprocess Engineering: Systems, Equipment

Pokok Bahasan

1. Jenis Pompa

2. Tiga Karakteristik Penting Sistem Pompa 3. Friksi dalam Sistem Pompa

4. Energi dan Head dalam Sistem Pompa 5. Head Statik

6. Laju Alir

Pokok Bahasan

8. Head Total

9. Hubungan antara Head dan Head Total 10.Menentukan Head Friksi

11.Kinerja (Kurva Karakteristik) Pompa 12.Memilih Pompa Sentrifugal

13.Contoh: Sistem Pompa Air Rumah Tangga 14.Tekanan Keluar Pompa

Jenis-jenis Pompa

Pompa Positive Displacement Reciprocating Piston Plunger Rotary Gear Screw Vane Kinetic (Dynamic) Centrifugal Radial Flow Axial Flow Mixed Flow

Special High Head, Low Flow Peripheral (Regenerative

Pompa, Kompresor, Blower dan

Kipas Angin

• POMPA

o Peralatan untuk menaikkan cairan – fluida yang relatif inkompresibel – ke tingkat tekanan atau head yang lebih tinggi

• KOMPRESOR

o Peralatan untuk menaikkan gas – fluida yang kompresibel – ke tingkat tekanan yang lebih tinggi

• BLOWER

o Peralatan untuk menggerakkan sejumlah volume gas dengan kenaikan tekanan moderat

• KIPAS ANGIN

Memindahkan Air

Di ata s/ dal am tan ah SUMBER AIR Ja uh /Deka t BAK PENAMPUNG

Sumber Daya Air

3 Karakteristik Penting Pompa

Driving force untuk terjadinya

perpindahan fluida Tenaga yang memperlambat_{partikel-partikel fluida}

Jumlah volume yang dipindahkan per satuan waktu

Laju Alir Berdasarkan Diameter

dan Tekanan

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

30 psi 40 psi 50 psi 60 psi 70 psi

AX IS T IT L E TEKANAN Laju Alir 1/4 1/2 3/4 1 1 1/2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 1/4 1/2 3/4 1 1 1/2 Laju Alir

Pompa dan Tekanan

• Pompa menyediakan energi yang diperlukan untuk

mengarahkan fluida melalui sistem dan mengatasi friksi dan perbedaan ketinggian (elevasi)

• Tekanan dinaikkan saat partikel-partikel fluida dipaksa lebih dekat satu sama lain

• Contoh:

o Di alat pemadam kebakaran, kerja

atau energi dihabiskan untuk memberi tekanan cairan kimia yang ada di

dalamnya, sehingga energinya dapat disimpan dan digunakan nantinya

Tekanan pada Wadah yang

Terbuka

• Apakah mungkin memberi tekanan pada wadah yang terbuka? • YA

• Contoh: SEMPROTAN

o Jika kita tekan kedalam, tekanan naik dan makin dalam semakin keras kita harus menekan

o Ada cukup friksi saat fluida bergerak melalui jarum untuk menghasilkan tekanan yang besar pada bodi semprotan

Tekanan pada Pompa

• Jika ide tekanan pada semprotan

diterapkan di pompa,

o

meski ujung pipa keluaran terbuka,

o

sangat mungkin untuk memiliki tekanan pada

keluaran pompa

o

disebabkan

• adanya friksi yang cukup di dalam sistem dan

• perbedaan elevasi

Friksi pada Sistem Pompa

• Friksi akan selalu ada, hatta di fluida, karena dia adalah tenaga yang menolak pergerakan dari suatu obyek

Friksi pada Fluida Padat dan Cair

• Friksi pada fluida padat pasti besar; tapi bisa diperkecil dengan bantuan roda

• Friksi pada fluida cair kecil, tapi dapat menjadi besar pada

o Pipa yang panjang

o Pipa pendek tapi laju alirnya besar dan diameternya kecil, seperti

pada semprotan o Pipa yang kasar

o Sambungan pipa (elbow, tee, dll) o Cairan yang viskositasnya tinggi

4 Bentuk Energi pada Sistem

Pompa

1.Tekanan

2.Elevasi

3.Friksi

4.Kecepatan

Energi Tekanan

• Tekanan dihasilkan pada bagian bawah

penampung disebabkan cairan mengisi wadah

secara sempurna, dan beratnya menghasilkan gaya

yang didistribusikan ke seluruh permukaan

• Jenis ini disebut TEKANAN STATIK

• ENERGI TEKANAN adalah energi yang dibangun saat

partikel-partikel cairan atau gas digerakkan lebih

dekat sedikit satu sama lainnya

Energi Elevasi, Friksi dan

Kecepatan

• ENERGI ELEVASI adalah energi yang tersedia pada cairan saat dia memiliki ketinggian tertentu

o Jika energi ini keluar, dia dapat mengarahkan pada sesuatu yang berguna seperti turbin yang menghasilkan listrik

• ENERGI FRIKSI adalah energi yang hilang ke lingkungan disebabkan oleh pergerakan cairan melalui pipa dan sambungan dalam sistem

• ENERGI KECEPATAN adalah energi yang menggerakkan

obyek. Contoh: jika air keluar dari selang, maka dia memiliki energi kecepatan

Hubungan antara Ketinggian, Tekanan dan

Kecepatan

Energi Pompa

• Energi yang harus disuplai oleh pompa adalah energi friksi PLUS perbedaan ketinggian yang harus dicapai oleh cairan (energi elevasi)

HEAD

• Apa itu HEAD?

• HEAD sebenarnya adalah cara untuk menyederhanakan penggunaan energi

• Untuk menggunakan energi kita perlu mengetahui BERAT dari obyek yang dipindahkan

• ENERGI ELEVASI (EE): berat dari obyek (W) dikalikan jarak (d)

EE = W x d

• ENERGI FRIKSI (FE): gaya friksi (F) dikalikan jarak cairan yang dipindahkan atau panjang pipa (l)

HEAD

• HEAD adalah energi dibagi dengan berat atau jumlah

energi yang digunakan untuk memindahkan sebuah obyek dibagi berat obyek tersebut

• HEAD ELEVASI (EH):

EH = (W x d)/W = d • HEAD FRIKSI (FH):

FH = (F x l)/W = l

• Satuan F dan W sama, sehingga satuan FH juga sama dengan satuan EH, yakni satuan jarak (m, ft)

Satuan Energi = Satuan Jarak?

• Jika kita masukkan

sebuah tube di bagian keluaran pompa, cairan akan naik di dalam tube setara dengan tekanan keluaran pompa

• Sebagian tinggi cairan di dalam tube adalah

tinggi elevasi dan

lainnya tinggi head friksi • Keduanya satuannya

Definisi Head (Webster)

• HEAD adalah kumpulan (body) air yang tersimpan di

dalam penampung pada sebuah ketinggian

Tekanan dan Ketinggian

• Dikarenakan ketinggian dan beratnya, fluida menghasilkan tekanan pada titik bawah (penampung)

• Sehingga semakin tinggi penampungnya, semakin tinggi tekanannya

Tekanan dan Bentuk Wadah

• Tekanan tidak tergantung bentuk wadahnya • Ini hal yang sangat penting

• Karena itu, betapa pun kompleksnya sistem perpipaan, kita mungkin akan mengetahui tekanan di bagian bawahnya jika kita mengetahui tingginya

Head Statik

• Head statik: jarak antara permukaan cairan

penampung tujuan dan permukaan cairan

penampung asal

• Head statik akan

menghasilkan

tekanan pada

pompa yang

harus diatasi saat

pompa dinyalakan

Head Statik

• Konvensinya: Head statik diukur dari suction flange elevation dan ujung pipa yang terbuka ke udara

Faktor yang Memengaruhi Laju

Alir

• Pada sistem yang identik, laju alir dipengaruh oleh head statik • Jika elevasi ujung pipa tinggi, maka laju alirnya rendah

Head Statik



0

Mungkin tidak perlu

pompa, tapi cukup

Total Head

TINGGI MAKSIMUM yang dapat dicapai

oleh fluida dari

permukaan suction headnya

Pada kondisi ini laju alirnya = 0

Laju Alir Tergantung Friksi

1

Laju Alir Tergantung Friksi

2

Laju Alir Tergantung Friksi

3

Laju Alir Tergantung Friksi

4

Pompa Sentrifugal

• Bagaimana pompa sentrifugal menghasilkan tekanan? • Partikel fluida memasuki pompa pada flens masuk

(suction flange) atau koneksi • Partikel-partikel tersebut

berputar 90 derajat ke bagian datar impeller dan mengisi

volume antar-tiap baling-baling impeller

Komponen Pompa

Sentrifugal

Cara Bekerja Pompa Sentrifugal

• Partikel-partikel fluida dalam pompa dikeluarkan

dari ujung runcing baling-baling impeller pada

kecepatan tinggi

• Partikel-partikel tersebut lalu membentur selongsong

(casing) dari pompa dan diperlambat di bawah

energi kecepatan dan di atas energi tekanan

• Tidak seperti friksi yang merupakan energi terbuang,

penurunan energi kecepatan menyuguhkan

Eksperimen Pompa Sentrifugal

• Isi plastik dengan air

• Lubangi bagian bawahnya

• Ikat bagian atas plastik tersebut • Ayunkan (diberi gaya

sentrifugal)

• Air akan keluar dari lubang plastik

• Makin cepat ayunannya, makin banyak air yang keluar dari

lubang karena tekanan dalam plastik naik

Kurva Hubungan Tekanan Keluaran

Pompa vs Laju Alir Pompa

Total Head

• TOTAL HEAD dan FLOW adalah kriteria utama yang digunakan untuk

o membandingkan satu pompa

dengan lainnya

o

memilih pompa sentrifugal

• TOTAL HEAD berhubungan dengan

tekanan keluaran (discharge

Kenapa Bukan Langsung

Discharge Pressure Saja?

• Tekanan adalah sesuatu yang sudah akrab di kehidupan sehari-hari

• Contoh: alat pemadam kebakaran diberi tekanan 60 psig (410 kPa), ban mobil 35 psig (240 kPa)

• Kenapa pabrik pompa tidak memakai tekanan keluaran sebagai kriteria?

1. Tidak diketahui untuk apa kita menggunakan pompa 2. Tidak diketahui berapa laju alir yang diperlukan karena

tidak seperti pompa displacement, laju alir pompa sentrifugal tidak tetap

Kenapa Bukan Langsung

Discharge Pressure Saja?

o Tekanan keluaran tergantung pada tekanan yang ada di bagian masukan pompa

o Jika sumber fluida yang mau dipompa berada di bawah atau di atas masukan pompa, untuk laju alir yang sama kita akan dapatkan

tekanan keluaran yang berbeda

o Karena itu, untuk menghilangkan permasalahan ini, lebih disukai digunakan perbedaan antara masukan dan keluaran pompa

3. Besaran tekanan yang dapat dihasilkan pompa tergantung pada densitas fluida

o Pihak pabrik tidak mengetahui fluida apa yang nantinya akan dipompa

Hubungan antara Head dan Total

Head

• TOTAL HEAD adalah tinggi cairan yang dinaikkan ke bagian discharge pompa kurangi tinggi cairan yang dinaikkan ke bagian suction pompa

• Kenapa dikurangi?

• Karena kita menginginkan kontribusi energi dari pompa saja dan bukan energi yang disuplai ke pompa

Energi dan Head

• Jika digunakan ENERGI, kita perlu tahu beratnya • Jika HEAD, kita perlu tingginya saja

• POMPA itu proses kontinyu, sehingga tidak peduli berapa berat yang dipindahkan

Contoh 1

• Jarak (static head) antara permukaan air dan suction pompa = 10 ft

• Jarak (discharge head) antara suction pompa dan permukaan air di penampung = 15 ft • Total head = 10 + 15 = 25 ft PLUS friction head loss

Head Friksi (Tabel 2)

• Head Friksi adalah energi yang hilang akibat friksi yang disebabkan oleh pergerakan fluida melalui pipa dan sambungan

• Dipilih kecepatan 10 fps karena itu angka yang khas untuk kecepatan di pipa

• Angka itu moderat (tidak terlalu tinggi yang dapat mengakibatkan friksi yang

banyak, juga tidak terlalu kecil yang dapat menyebabkan

Ukuran Pipa Masukan Pompa

• Konservatifnya: kecepatan masuk pompa

dibuat lebih rendah (misal, 4 dan 7 fps)

sehingga dipilih ukuran pipa yang cukup

besar

• Itulah kenapa ukuran pipa masuk pompa

lebih besar dari pada ukuran pipa keluar

pompa

Kinerja (Kurva Karakteristik)

Pompa

• Kurvanya mirip dengan kurva sebelumnya (tekanan vs laju alir), tapi kurva karakteristik pompa menggambarkan total head vs laju alir

• Kurva sebelumnya tidak praktis

karena harus mengetahui suction pressure yang digunakan untuk

menghasilkan kurva tersebut • Tidak semua pabrik

pompa menyediakan kurva seperti ini

Panduan Memilih Pompa

Sentrifugal

1. Tentukan laju alir

2. Tentukan head statik

3. Tentukan head friksi

4. Hitung head total

Contoh

• Diperlukan laju alir sebesar 10 gpm

• Sesuai Tabel 2, maka ukuran pipa yang tersedia antara ½” dan ¾”. Dipilih ¾” • Pipa masukan ke pompa dipilih 1” • Panjang pipa semuanya 30 ft

Kehilangan Friksi di Bagian

Suction Pompa

• Pada diameter 1”, friksinya 0.068 ft per ft pipa • Panjang pipa 30 ft: 30 x 0.068 = 2.4 ft • Kehilangan friksi dari sambungan diasumsikan 30%: 0.3 x 2.4 = 0.7 ft • Friksi check valve

5 ft, tapi jet pump tidak perlu itu

• Total kehilangan friksi = 2.4 + 0.7 = 3.1 ft

Kehilangan Friksi di Bagian

Discharge Pompa

• Total panjang pipa 30 ft, maka kehilangan friksi = 30 x 0.23 = 6.9 ft • Dari fittings:

30% x 6.9 = 2.1 ft • Total loss =

6.9 + 2.1 = 9.0 ft • Total loss suction

dan discharge = 3.1 + 9.0 = 12.1 ft

Memilih Rating Pompa

• Head statik = 15 + 20 = 35 ft

• Total Head = head statik + friction loss = 35 + 12.1 =

47 ft

• Total head disebut juga TOTAL DYNAMIC HEAD (TDH)

• KITA HARUS MEMBELI POMPA YANG TOTAL HEADNYA

MINIMAL 47 FT PADA 10 GPM

• Panduannya: variasinya



15%

• Rating pompa harus sedekat mungkin dengan

kriteria tersebut

Rating Pompa

• BEP (best efficiency point) adalah rating pompa • Pada kondisi ini

pompa berada pada kondisi

yang sangat

efisien, sehingga vibrasi dan noise sangat minim

• Variasinya 15% pada total head

Prosedur Pemilihan Pompa

Friction Loss di semua segmen pipa Friction loss di fittings Friction loss di peralatan Friction loss di check valve Total static head Velocity head Tank pressure head

TOTAL HEAD Break Horsepower NPSHA Specific speed Predict pump efficiency Suction specific speed Thoma cavitation parameter Kenaikan suhu Pressure head of control valve

Friction Loss di Semua Segmen

Pipa



























100

L

L

H

H

TABEL FP FP

Tabel dari Cameron Hydraulic Data sesuai dengan Flow dan Diameter Pipa

Friction Loss di Fittings

Setiap jenis fitting harus

DIKALIKAN jumlah fitting tersebut

Friction Loss di Peralatan

• Pressure drop:

o Filter = 3 psi o HE = 5 psi

o Control valve = 4.24 psi

• Specific Gravity (SG) lihat Tabel

SG

p

.

Friction Loss di Check Valve

• CV dari Tabel dari Trueline Valve Corp.

SG

p

.

H

_check



2

31



(psi)

2

(gpm)

(psi)













CV

Q

SG

p

Panjang

Ekuivalen

gd

fLu

h

_f

2

2



f = faktor friksi dari grafik Moody L = panjang pipa (m)  dapat berasal dari semua panjang pipa termasuk

panjang ekuivalen pipa dari fitting dan valve

u = kecepatan aliran melalui pipa (m/s) g = gravitasi, 9.81 m/s2

Total Static Head

• TOTAL STATIC HEAD: perbedaan antara elevasi permukaan cairan discharge tank dan suction tank

Elevasi (z1): 2803’

Elevasi (z2): 2830’

TOTAL STATIC HEAD = z2 – z1 = 2830’ – 2803’ = 27 ft

Velocity Head

• v adalah kecepatan partikel fluida di satu titik

• Biasanya v1 adalah titik di permukaan cairan suction tank • Karena terlalu kecil, maka dianggap 0

• v2 tergantung dari titik yang diukur

o Kalau ujung pipa keluaran nyemplung di cairan discharge tank, maka titik pengukurannya di permukaan cairan discharge tank  v2 = 0

o Kalau diinginkan pengukurannya di suatu titik pada elevasi tertentu, maka v2 dihitung di pipa pada elevasi tersebut

g

v

g

v

2

2

Head

Velocty

2 1 2 2





Tank Pressure Head

• Jika suction tank diberi tekanan dengan tekanan

p1, maka pressure headnya H1

• Tanki yang terbuka tekanannya atmosfir

sehingga H = 0

• Kalau suction dan discharge tank-nya keduanya

terbuka, maka H1 = H2 = 0

• Jika terjadi perbedaan, maka dihitung dengan

rumus:

Total Head

• Penjumlahan seluruh head yang sudah dihitung di atas

NO Component Sign (ft fluid) Results 1 Pipe Friction Head Loss + HFP

2 Fitting Friction Head Loss + HFF 3 Equipment Friction Head Loss + HEQ 4 Check Valve Head Loss + Hcheck 5 Total Static Head + z2 - z1 6 Velocity Head Difference + v22/2g - v12/2g 7 Tank Pressure Head Difference + H1 - H2

Break Horsepower

• Efisiensi pompa (_pump) diambil dari grafik

Kurva Karakteristik Pompa

• Faktor yang mempengaruhinya:

o Laju alir (q)

o Total head (H_P)

NPSHA

• NPSHA = Net Positive Suction Head Available

o Ukuran yang berhubungan dengan tingkat tekanan pada

pump suction

o Makin tinggi tekanannya, makin tinggi NPSHAnya dan

makin baik operasi pompanya

o Harganya bervariasai dari 0 sampai head tekanan

atmosfir 34 ft DITAMBAH suction static head DIKURANGI kuantitas lain

o NPSHA harus lebih besar dari pada NPSHR (NPSH

Rumus NPSHA

• Jika kita kesulitan menghitung pump suction pressure (p_GS), maka dihitung headnya:

Rumus Lain NPSHA

g

P

g

P

H

g

P

NPSH

_avail f v

.

.

.

















NPSHR

• NPSHR adalah cara lain untuk menyatakan kehilangan

tekanan (pressure loss) di suction

area dari sebuah pompa pada

kondisi yang diketahui

• NPSHR dapat juga dilihat pada Kurva Karakteristik

Contoh 2

• Pada contoh sebelumnya sudah dihitung total friksinya 3.1 ft • Velocity headnya terlalu kecil sehingga diabaikan

• Tekanan atmosfir 14.7 psia

• Tekanan uap untuk air pada suhu 60F = 0.5 psia • SG air = 1.0

Contoh 3

• Liquid chlorine is unloaded from rail tankers into a storage vessel. To

provide the necessary NPSH, the transfer pump is placed in a pit below ground level. Given the following information, calculate the NPSH

available at the inlet to the pump, at a maximum flow rate of 16,000kg/h. • The total length of the pipeline from the rail tanker outlet to the pump

inlet is 50m. The vertical distance from the tank outlet to the pump inlet is 10 m. Commercial steel piping, 50mm internal diameter, is used.

• Miscellaneous friction losses due to the tanker outlet constriction and the pipe fittings in the inlet piping are equivalent to 1000 equivalent pipe

diameters. The vapor pressure of chlorine at the maximum temperature reached at the pump is 685 kN/m2 _{and its density and viscosity, 1286}

Jawaban

• Friction Losses

o Miscellaneous losses = 1000x50x10-3 = 50m of pipe

Ringkasan

Data Pompa

Specific Speed

• SPECIFIC SPEED: bilangan yang menyediakan sebuah indikasi laju impeller, laju alir, dan head yang dihasilkan

• Ns RENDAH jika <2.000 (pompa disain radial: head tinggi dan laju alir rendah)

• Ns TINGGI jika >10.000

Predict Pump Efficiency

• Untuk memprediksi efisiensi pompa secara langsung, maka digunakan grafik kurva karakteristik pompa yang

dihubungkan dengan Ns (specific speed) dan laju alirnya (q)

• Pompa yang lebih besar (laju alir tinggi) dengan laju spesifik yang sama, akan lebih efisien

• Untuk ukuran impeller yang lebih besar dari 10”, efek ukuran atau laju alir yang naik adalah kecil dan umumnya tidak

Suction Specific Speed

• SUCTION SPECIFIC SPEED (S) adalah bilangan berdimensi sama dengan specific speed dan digunakan sebagai

panduan untuk pencegahan kavitasi

• Hanya saja, H (total head) diganti dengan NPHSA

• Hydraulic Institute membatasi S sampai 8500, tapi lembaga lain 10.000 – 12.000

Thoma Cavitation Parameter

• THOMA CAVITATION PARAMETER (



) adalah

bilangan tanpa dimensi dan digunakan untuk

memprediksi onset cavitation

• Gunakan bilangan ini untuk memverifikasi bahwa

pompa ini memiliki NPSHA yang cukup untuk

Kenaikan Suhu

• Penyebab panas ada 2:

1. Karena transmisi tenaga antara impeller dan fluida tidak efisien, maka dihasilkan panas

2. Saat prosesnya sangat tidak efisien misalnya pada laju alir yang rendah, panas pun dihasilkan

• Pabrik pompa membatasi kenaikan suhu sampai 15 oF

• Kenaikan suhu tergantung pada total head, panas jenis fluida dan efisiensi pada titik operasi

Pressure Head of Control Valve

Ada dua metode perhitungan:

• METODE 1

o Terdiri atas tekanan pada masukan control valve dengan menggunakan total head pompa dan kehilangan friksi serta

perbedaan elevasi antara MASUKAN SISTEM dan masukan katup

• METODE 2

o Terdiri atas tekanan pada masukan control valve dengan

menggunakan kehilangan friksi dan perbedaan elevasi antara