Laporan Praktikum Aliran Fluida Teknik K

(1)

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Transportasi fluida merupakan salah satu operasi teknik kimia yang sering digunakan dalam industri, karena bahan baku dalam industri banyak yang berupa fluida. Sistem perpipaan digunakan untuk tempat mengalirnya suatu fluida. Fluida merupakan suatu zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk secara permanen, dimana bila diberikan sedikit gaya terhadapnya tidak bisa mempertahankan bentuknya. Fluida cair yang mengalir dalam sistem perpipaan dalam industri akan mengalami kehilangan energi karena adanya gesekan antara fluida dengan fluida dan fluida dengan pipa. Hilangnya energi pada fluida dalam sistem perpipaan dapat pula disebabkan karena adanya gesekan, belokan, kontraksi, ekspansi.

1.2. Tujuan Praktikum

(2)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Fluida

Fluida adalah suatu zat yang tidak dapat menahan bentuk secara permanen yang dapat mengalami perubahan bentuk mengikuti ruang yang ditempatinya. Terdapat dua jenis fluida, yakni : fluida termampatkan dan fluida tak termampatkan. Fluida mampu termampatkan (compressible) ialah ketika densitas fluida mudah dipengaruhi oleh perubahan temperatur dan tekanan. Fluida tak termampatkan (incompressible) ialah ketika densitas fluida tersebut tidak terpengaruh oleh banyaknya perubhan tekanan dan suhu. Fluida yang bergerak (mengalir) akan membentuk suatu pola aliran tertentu.

Jenis aliran fluida jika dibedakan dari jenis pola alirannya, dapat menjadi:

1. Aliran laminar (aliran berlapis)

Aliran dengan fluida yang bergerak seperti berbentuk lapisan – lapisan, yang tidak saling campur. Aliran ini terjadi pada kecepatan aliran fluida yang lambat, densitas fluida yang rendah, dan viskositas yang tinggi.

2. Aliran Turbulen (aliran bergolak)

Alirran dengan partikel-partikel bergerak tidak menentu karena terjadi pencampuran dan eddies dalam aliran.

3. Aliran Transisi

Aliran peralihan dari laminar ke turbulen.

Jenis aliran fluida dapat dibedakan menurut Bilangan Reynoldnya (NRe), Bilangan Reynold (NRe) merupakan fungsi dari : kecepatan fluida (v), viskositas (µ), rapat massa (ρ), dan diameter pipa (D). Bilangan Reynold secara sistematis dapat dirumuskan menjadi persamaan :

Nℜ=

ρ vD

(3)

Dengan;

- ρ = berat jenis fluida (kg/m3₎ - v = kecepatan linier fluida (m/s) - D = diameter pipa (m)

- μ = viskositas fluida (kg/m.s)

Jenis aliran bila dibedakan menurut bilangan reynoldnya pada pipa lurus berbentuk tabung:

NRe< 2100, aliran laminar NRe> 4000, aliran turbulen 2100 < NRe> 4000 aliran transisi

2.2. Neraca Massa

- Laju massa masuk sama dengan laju massa keluar Maka, persamaan neraca massa menjadi :

(4)

Proses

Gambar 2.2. Contoh sistem perpipaan

Gambar 2.1 Neraca massa sistem aliran fluida

Maka persamaan neraca massa menjadi :

Min = Mout (2.5) (ρ .Q)in = ¿Q)out (2.6) Jika tidak ada perubahan densitas, maka persamaannya menjadi :

(5)

Dari Gambar 2.2 dapat dibuat model matematis sebagai berikut :

Laju energi masuk = laju energi keluar + selisih energi yg tersedia dalam sistem Q = W + (E2 –E1) (2.10) Dari persamaan 2.10 dan 2.11 diperoleh:

(U2-U1) + Pada gambar sistem aliran fluida :

 Isotermal (∆T = 0)

 Tidak ada gesekan antara fluida terhadap dinding pipa → ∑F = 0  Tidak ada kerja (Ws = 0)

 Tidak ada panas yang masuk maupun yang keluar (Q = 0)

Persamaan neraca energinya menjadi:

(6)

P2(1/ρ) 2 - P1(1/ρ) 1 +

- v = kecepatan linier fluida (m/s) - g = percepatan gravitasi (m/s2₎

(7)

Gambar 2.3. (a) Orifice meter (b) Orifice

Persamaan Bernoulli memberikan dasar untuk mengkorelasi peningkatan-peningkatan head kecepatan dengan penurunan head tekanan. Persamaan Bernoulli yang dapat diterapkan pada orifice meter ini adalah:

½ ( v2 2 – v1 2 ) + g (Z2 – Z1) + 1/ (P2 – P1) = hL (2.16)

dimana :

- Δv = perbedaan kecepatan (m/s) - ΔZ = perbedaan ketinggian (m) - ΔP = perbedaan tekanan (N/m2₎ - g = percepatan gravitasi (m/s2₎ -  = densitas fluida (kg/m3)

- hL = energi yang tidak termanfaatkan (head loss), J/kg

2.4.1. Kalibrasi Orifice Meter

Prinsip kalibrasi orifice meter ialah mengukur waktu yang dibutuhkan untuk menampung fluida sampai mencapai volume tertentu pada setiap ∆h orifice yang berbeda, ∆h orifice dapat dilihat seperti pada Gambar 2.3.

Laju alir fluida dalam orifice adalah sebagai berikut:

Q = V/t (2.17)

Dengan ;

(8)

- V = volume fluida (m3₎ - t = waktu (s)

Beda ketinggian pada orifice meter dapat di gunakan untuk menentukan beda tekan yang terjadi dalam orifice meter. Beda tekan yang terjadi dalam orifice meter adalah sebagai berikut:

Po = .g. ho (2.18) Dengan ;

- ∆Po = beda tekan pada orifice meter (N/m2) - ρ = berat jenis fluida (kg/m3₎

- g = percepatan gravitasi (m/s2₎

- ∆ho = beda ketinggian pada orifice meter (m)

Untuk mengukur selisih tekanan P pada orifismeter dilengkapi dengan

manometer, biasanya menggunakan manometer pipa seperti pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Manometer U

Dari statika fluida, tekana dititik 1 sama dengan tekanan dititik 2.

P1=P2

Pa + ρ.g. h1 = Pb +ρ.g.h2 +ρ2.g.Δh

Pa + ρ.g (h2 + Δh) = Pb + ρ1 g h2 + ρ2 g Δh

(9)

Pa – Pb = ρ2.g.Δh – ρ.g.Δh

Pa – Pb = (ρ2-ρ)g.Δh (2.19)

Q = k (Pa – Pb)0.5 _(2.20)

Q = k' (Δh)0,5 _(2.21)

Persamaan 2.21 belum dapat diketahui karena harga k', harga k' ditentukan dengan cara mengkalibrasi orifismeter tersebut. Jika kita mengalirkan fluida melalui orifis dengan mengubah-ubah laju alir, maka beda tinggi cairan dalam manometer (Δh) pun akan berubah-ubah. Laju alir diplot terhadap h sehingga

diperoleh kurva kalibrasi sepeti pada Gambar 2.5. Pangkat dari Δh idealnya 0,5 tetapi tidak harus 0,5 bisa sedikit lebih besar maupun lebih kecil yakni 0  n  1.

Gambar 2.5. Contoh kurva kalibrasi orifismeter

2.5. Hilang Tekan

Hilang tekan adalah jumlah energi yang diperlukan untuk mempertahankan aliran fluida dimana selalu ada gaya geser yang bekerja terhadap fluida dengan penambahan energi dari luar. Dalam suatu aliran fluida terjadi gesekan antara fluida dengan pipa. Gesekan yang timbul tersebut menyebabkan kehilangan energi atau friction loss (F) .

 Hilang energi karena kontraksi (penyempitan) Q

(10)

Hc=0.55

(

A_A2

 Hilang energi karena ekspansi (pelebaran)

Hc=

(

A_A1

 Hilang energi karena pipa lurus

Ff=4. f .∆ L_{D .} v

2

2α (2.24)

 Hilang energi karena hambatan lain seperti ellbow, tee, kerangan, sambungan dll pada cairan dan merubahnya menjadi tinggi tekan (head) . Pompa terdiri dari : - Baling-baling (blade)

- Rumah (casing) tempat baling-baling bekerja

- Stuffing box, yang merupakan penghubung casing dengan motor Pompa sentrifugal memiliki dua perangkat utama, yaitu :

- Impeler, yang bekerja untuk meningkatkan energi kinetik fluida pada tekanan tetap.

- Diffuser, berfungsi untuk mengubah energi kinetik dengan tujuan meningkatkan tekanan.

Untuk efisiensi pompa dapat dicari dengan persamaan :

(11)

BAB III

METODELOGI PERCOBAAN

Pada praktikum kali ini, bertujuan untuk mencari hubungan head loss dengan laju alir atau kecepatan fluida untuk komponen-komponen sistem perpipaan seperti pada pipa lurus, kerangan sambungan belokan. Dan mencari hubungan efisiensi pompa terhadap laju alir fluida.

3.1. Alat dan Bahan Percobaan

Alat- alat dan bahan yang digunakan pada praktikum ini ialah : 1. Rangkaian alat seperti pada Gambar 3.1

2. Gelas ukur 3. Stopwatch 4. Orifismeter

5. Manometer pipa U 6. Manometer gondok 7. penggaris

(12)

Gambar 3.1 Skema alat 2

1

A C B

D

(13)

3.2. Cara Kerja

3.2.1. Kalibrasi Alat Ukur Laju Alir

Kalibrasi alat ukur laju alir dalam praktikum ini alat ukur laju alir yang digunakan ialah orifice meter, dengan prinsip megukur waktu yang diperlukan untuk mencapai volume tertentu pada ∆h orifice meter yang berbeda-beda dengan arah aliran seperti pada Gambar 3.1. Untuk diagram alir kalibrasi alat ukur laju alir dapat dilihat pada Gambar 3.2.

Mengisi manometer U dengan air raksa

Mengisi air pada tangki 1 dari sumber air ± ½tangki

Membuka kerangan sehingga air mengalir dari tangki 1 menuju tangki

2, kemudian menyalakan pompa

Membuka kerangan dari tangki 2 supaya fuida mengalir menuju

tangki 1

Menyambungkan selang orifie dengan manometer U

Mengatur kerangan keluaran tangki 2 hingga ∆h orifie tertentu pada

manometer U

(14)

Gambar 3.2. Diagram alir kalibrasi alat ukur laju alir

3.2.2. Pengukuran Beda Tekan

Prinsip yang digunakan untuk pengukuran beda tekan ialah mengukur beda tekan disetiap komponen perpipaan pada beda tekan orifice berbeda untuk mendapatkan head loss dengan arah aliran seperti pada Gambar 3.1. Diagram alir pengukuran beda tekan dapat dilihat pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Diagram alir pengukuran beda tekan

3.2.3. Pengukuran Efisiensi pompa

Prinsip pengukuran efisiensi pompa ialah dengan mengukur waktu yang diperlukan untuk menampung fluida untuk mencapai volume tertentu pada ∆h orificemeter yang berbeda dengan arah aliran seperti pada Gambar 3.4. Dan mengukur panjang pipa pada sistem perpipaan yang dilewati fluida, menghitung

Membuat kurva kalibrasi dengan memplot laju alir terhadap ∆h orifie

Mengisi manometer gondok dengan CCl4

Menyambungkan selang dari komponen dengan manometer

gondok

Mengukur ∆h manometer gondok pada setiap ∆h orifie yang

berbeda-beda

(15)

jumlah belokan, sambungan, dan kerangan pada sistem perpipaan yang dilewati fluida. Diagram alir pengukuran efisiensi pompa dapat dilihat pada Gambar 3.5.

(16)

16 Mengisi manometer U dengan air

raksa

Mengisi air pada tangki 1 dari sumber air ± ½tangki

Menutup kerangan yang menuju tangki 2 dari tangki 1, membuka kerangan supaya fuida mengalir dari

tangki 1 menuju keluaran Menyambungkan selang orifie

dengan manometer U

Mengatur kerangan keluaran tangki 1 hingga ∆h orifie tertentu pada

manometer U

Mengukur waktu yang dibutuhkan untuk menampung fuida sampai volume tertentu pada stiap ∆h orifie

yang berbeda

Mengukur panjang pipa lurus, menghitung jumlah belokan, sambungan dan kerangan yang dilewati fuida dari tangki 1 menuju keluaran, dan meniatat daya pompa

(17)

Gambar 3.5. Diagram alir mengukur efisiensi pompa

BAB IV

HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Kurva Kalibrasi Orifice Meter

(18)

Gambar 4.1 kurva kalibrasi orifice meter

4.2. Kurva Hubungan Head Loss Terhadap Laju Alir

4.2.1. Kurva Hubungan Head Loss Terhadap Laju Alir pada Pipa Lurus Pada komponen pipa lurus dikarenakan jenis aliran fluida pada percobaan ini ialah turbulen dapat dilihat pada Tabel C.2 Perhitungan head loss pada pipa lurus. Maka hanya ada satu kurva hubungan headloss terhadap laju alir dan didapat hubungan semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga head loss pada komponen pipa lurus hal ini dapat dilihat pada Gambar 4.2 dari kurva tersebut didapat persamaan head loss = 0,8727 v2_{/2 dimana friction loss pada pipa} lurus dengan panjang pipa 3.505m ialah 1.2449x10-3_.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

f(x) = 0.87 x R² = 1

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada pipa lurus

Linear ()

v2/2 (m/s) head loss (j/kg)

(19)

4.2.2. Kurva Hubungan Head Loss Terhadap Laju Alir pada Sambungan Pada komponen sambungan hubungan head loss dengan laju alir berbanding lurus karena semakin besar laju alir maka semakin besar juga head loss pada komponen sambungan hal ini dapat dilihat pada Gambar 4.3 dari kurva hubungan head loss pada komponen sambungan terhadap laju alir didapat persamaan head loss = 0,1625 v2_/2_{maka nilai koefisien gesek pada komponen sambungan ialah} 0.1625.

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada sambungan

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada sambungan Linear (kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada sambungan)

Gambar 4.3 kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada sambungan

4.2.3. Kurva Hubungan Head Loss Terhadap Laju Alir pada Belokan

(20)

loss = 0,276 v2_{/2 maka nilai koefisien gesek pada komponen belokan ialah 0.276.}

0 0.050.10.150.2 0

0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 0.05

f(x) = 0.28 x

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada belokan

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada belokan Linear (kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada belokan )

(21)

0 0 0 0.01 0.01 0.01

f(x) = 0.06 x

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada kerangan

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada kerangan Linear (kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada kerangan)

v2/2 (m/s) head loss (j/Kg)

Gambar 4.5 kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada kerangan

4.3. Kurva Hubungan Efisiensi Pompa Terhadap Laju Alir

(22)

0 0.2 0.4 0.6 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

kurva hubungan efsiensi pompa terhadap laju alir

laju alir (m/s) efsiensi (%i)

(23)

BAB V KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari percobaan aliran fluida ini adalah :

Semakin besar beda tekan pada orifice meter maka semakin besar juga laju alir fluida

Semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga head loss pada komonen pipa lurus

Semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga head loss pada komponen kerangan

Semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga head loss pada komponen sambungan

Semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga head loss pada komponen belokan

(24)

DAFTAR PUSTAKA

Buku Petunjuk Praktikum Laboratorium Teknologi Kimia I.Laboratorium Teknologi Kimia-Jurusan Teknik Kimia. Cimahi: UNJANI Buku Petunjuk Praktikum Pengenalan Laboratorium Teknologi

Kimia.Laboratorium Teknologi Kimia-Jurusan Teknik Kimia.Cimahi: UNJANI

Nugroho, Adi Febrianto.Diktat Operasi Teknik Kimia I.Cimahi: Jurusan Teknik Kimia UNJANI.