Model Sumber Kebocoran (Source Models)

(1)

1

Model Sumber Kebocoran ( Source Models )

TK4103 KESELAMATAN PABRIK PROSES

Fakultas Teknologi Industri - ITB

Dr. A. Zainal Abidin

Dr. Eng. Pramujo Widiatmoko

(2)

2

Sumber Kecelakaan : 1. Bahan Beracun

2. Bahan mudah terbakar 3. Bahan ekplosif

Source models merupakan bagian penting dari prosedur pemodelan sebab akibat (Seperti tertera pada figure 4.1). Kecelakaan dimulai dengan adanya insiden antara lain :

1. Pipa : bocor, patah atau rusak 2. Tangki : bocor, rusak

3. Reaksi tak terkendali 4. Sumber api dari luar

SOURCE MODELS

(3)

3

SOURCE MODELS

Source models mempelajari

1. Bagaimana bahan keluar dari proses 2. Kecepatan pengeluaran dari sistem 3. Kuantitas total yang keluar

4. Waktu pengeluaran

5. Keadaan saat pengeluaran

(4)

4

(5)

5

Pengenalan Source Models

❑ Source models disusun berdasar persamaan dasar dan empiris yang

menggambarkan proses physicochemical yang terjadi selama pelepasan material.

❑ Source models diperlukan untuk menggambarkan pelepasan zat di pabrik, tapi terkadang hasilnya hanya berupa perkiraan karena data sifat-sifat zat yang tidak cukup tergambar atau proses fisiknya tidak dapat dipahami sepenuhnya.

❑ Mekanisme pelepasan zat diklasifikasikan menjadi dua yaitu pelepasan pada celah lebar dan pelepasan pada celah terbatas (kecil) figure 4.2.

❑ Keadaan fisik material akibat dari mekanisme pelepasan terlihat pada figure 4.3

(6)

6

Pengenalan SOURCE MODELS

(7)

7

Pengenalan SOURCE MODELS

(8)

8

Pengenalan Source Models

Beberapa Model Dasar Sumber Kebocoran (1) Aliran Cairan melalui lubang

(2) Aliran Cairan melalui lubang pada tangki (3) Aliran cairan melalui pipa

(4) Aliran uap melalui lubang (5) Aliran gas melalui pipa

(6) Flashing liquid

(7) Penguapan genangan cairan

(9)

9

(1) Aliran Cairan Melalui Sebuah Lubang

• Berikut persamaan neraca energi mekanik pada aliran cairan :

• Untuk cairan tak kompresibel:

• Pertimbangan unit proses yang mengakibatkan lubang kecil, seperti tergambar pada figure 4.4. Tekanan liquid dikonversi menjadi energi kinetik sebagai fluida yang keluar dari lubang. Gaya gesek antara cairan yang keluar dan dinding lubang mengkonversi sebagian energi kinetik menjadi energi panas, hasilnya berkurangnya kecepatan.

• P = Pg, tekanan luar adalah atmosferik.

• Perubahan ketinggian diabaikan, z = 0.

(10)

10

(1) Aliran Cairan Melalui Sebuah Lubang

(11)

11

(1) Aliran Cairan Melalui Sebuah Lubang

• Kehilangan akibat friksi dinyatakan melaui koefisien C

₁

:

• Sehingga dgn pers.neraca energi mekanik diperoleh:

• Dengan begitu Q

_m

dapat dinyatakan :

(12)

12

Koefisien discharge Co merupakan fungsi komplek dari bilangan Reynold dari fluida yang keluar melalui lubang dan dimeter lubang. Beberapa pedoman yang

disarankan :

1. Untuk sharp-edge orifices dan bilangan Reynold lebih dari 30000, nilai Co sebesar 0.61

2. Untuk well-rounded nozzle Co sebesar 1

3. Untuk pipa pendek yang tersambung ke vessel (dengan rasio panjang-diameter tidak kurang dari 3) Co diperkirakan sebesar 0.81

4. Ketika Co tidak diketahui atau tidak pasti gunakan nilai 1 untuk memaksimalkan perhitungan aliran.

(1) Aliran Cairan Melalui Sebuah Lubang

(13)

13

(2) Aliran Cairan melalui sebuah lubang pada suatu tangki

• Sebuah tangki seperti terlihat pada figure 4.5. Lubang terdapat pada tangki pada ketinggian h

_L

di bawah tinggi cairan.

• Aliran cairan melalui lubang dinyatakan dengan persamaan neraca energi mekanik dan asumsi

inkompresibel.

(14)

14

(2) Aliran Cairan melalui sebuah lubang pada suatu tangki

• Koefisien Discharge dinyatakan:

• Dari pers. neraca energi mekanik, u dapat dinyatakan menjadi :

• Q_mdapat dinyatakan melaui pers :

• Untuk tangki dengan Luas crosssectional tetap A_t:

• Perubahan massa dalam tangki :

• Substitusi pers Qm dan m ke pers perbuhan massa diperoleh:

(15)

15

• Hasil integrasi :

• Ketinggian level air :

• Subtitusi pers ketinggian level air ke persamaan perubahan massa air :

• t_cwaktu pengosongan, dapat diperoleh pada h_L= 0

• Jika tekanan tangki atmosferik (pressure gauge= 0):

(3) Aliran Cairan melalui sebuah

lubang pada suatu tangki

(16)

16

(3) Aliran Cairan melalui sebuah lubang pada suatu tangki

Persamaan umum untuk menyatakan waktu pengosongan tangki untuk vessel pada semua geometri disusun sebagai berikut :

• Asumsi ruang atas liquid pada tekanan atmosfer, kombinasikan persamaan 4- 12 dan 4-14, didapat :

• Disusun ulang dan integrasi ;

• Persamaan umum :

• Untuk vessel silinder vertikal :

• Subtitusi ke pers. umum menjadi :

• Apabila lubang di bawah ;

(17)

17

(4) Aliran Cairan Melalui Pipa

(18)

18

(4) Aliran Cairan Melalui Pipa

• Substitusi persamaan neraca massa energi mekanik dan pers. Untuk fluida cairan tak kompresibel :

• Faktor friksi dinyatakan : dimana

• Untuk cairan mengalir melalui pipa kelebihan hilang, K_f, :

• Untuk laminar : Untuk turbulen :

• Untuk menentukan Reynold number dari pers di atas :

• disederhanakan menjadi

(19)

19

• Untuk pipa halus dimana  = 0:

• Untuk Re<100000

• Jika nilai f melebihi batas rentang Re yang tersedia pada gambar 4-7:

• Metode K-2 :

Berdasarkan adanya 2 konstanta dalam excess head lossnya :

Untuk masukan dan keluaran pipa, Pers di atas dimodifikasi menjadi:

(4) Aliran Cairan Melalui Pipa

(20)

20

(4) Aliran Cairan Melalui Pipa

(21)

21

(4) Aliran Cairan Melalui Pipa

(22)

22

(4) Aliran Cairan Melalui Pipa

Prosedur untuk menentukan laju alir massa material yang keluar dari sistem pipa adalah sebagai berikut :

1. Data : panjang, diameter dan tipe pipa; tekanan dan perubahan ketinggian sistem pipa; kerja masuk atau keluar pada fluida hasil dari pompa, termasuk densitas dan viskositas

2. Tentukan initial point (titik 1) dan final point (titik 2)

3. Tentukan tekanan dan ketinggian pada titik 1 dan titik 2. tentukan kecepatan fluida di titik 1 4. Perkirakan nilai kecepatan di titik 2

5. Tentukan faktor friksi untuk pipa dengan pers 4.31-4.37

6. Tentukan excess head loss term untuk pipa (pers 4-30), untuk fitting (pers 4-38) dan untuk semua masukan dan keluaran (pers 4-39) kemudian jumlahkan dan hitung kehilangan akibat gesekan dengan pers 4-29. Gunakan kecepatan di titik 2

7. Hitung nilai overall dengan pers 4-28 dan substitusi ke persamaan. Apabila jumlahnya = 0 perhitungan selesai. Kalau tidak, kembali ke tahap 4 dan ulangi perhitungan

8. Tentukan laju alir massa menggunakan pers m = ρūA

(23)

23

(5) Aliran uap melalui lubang

Gas dan uap keluar diklasifikasikan menjadi pelepasan secara throtling dan ekspansi bebas

(24)

24

(5) Aliran uap melalui lubang

• Persamaan neraca energi mekanik dengan fluida kompresibel dimana energi potensial diabaikan dan tak ada energi shaft :

• Koefisien discharge dinyatakan sebagai :

• Integrasi pers di atas menghasilkan :

• Untuk gas ideal pada sebuah ekspansi isentropik:

• Kecepatan dinyatakan sebagai :

(25)

25

• Dengan persamaan kontinuitas :

• Hukum gas ideal untuk Ekspansi isentropik :

• Diperoleh Laju massa :

(5) Aliran uap melalui lubang

(26)

26

(5) Aliran uap melalui lubang

(27)

27

(5) Aliran uap melalui lubang

• Untuk kebanyakan kasus safety laju alir maksimum uap melalui lubang diperlukan. Ini ditentukan dengan menurunkan persamaan laju massa terhadap P/Po dan mendifinisikan turunan = 0. Hasilnya diselesaikan untuk rasio tekanan yang dihasilkan aliran maksimum

• P choked adalah tekanan maksimum downstream yang dihasilkan pada laju alir maksimum melalui lubang.

• P choked merupakan fungsi dari rasio kapasitas panas

• Laju alir maksimum :

(28)

28

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

Terdiri dari 2 macam aliran, yaitu:

(a) Aliran Adiabatic (b) Aliran Isotermal

Dikenal Mach (Ma) number sebagai perbandingan kecepatan gas terhadap kecepatan suara:

a, kecepatan suara :

Untuk gas ideal ekuivalen dengan :

(29)

29

Pers neraca energi mekanik :

Asumsi :

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

(A) ALIRAN ADIABATIC

(30)

30

• Untuk proses steady terbuka, neraca energi menjadi :

• Asumsi :

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

(31)

31

• Persamaan Mach

• Pers G dan Mach dikonversi menjadi lebih baik dengan persamaan T &  melalui persamaan rho, Ma, dan Yi.

• Untuk sebagian besar masalah , panjang pipa, diameter dalam (d), temperatur upstream (T1) dan tekanan (P1) sudah diketahui. Untuk menghitung fluks massa G, prosedurnya:

1. Tentukan kekasaran pipa

2. Tentukan Fanning friction factor dari pers 4-34 3. Tentukan T² dari pers 4-61

4. Hitung fluks massa total G dari pers 4-62

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

(32)

32

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

• Untuk pipa yang panjang atau perbedaan tekanan pipa yang besar kecepatan gas dapat mencapai kecepatan sonic. Kasus ini terlihat pada gambar 4-12. Ini dinamakan choked. Persamaan disederhanakan dengan Ma² = 1 hasilnya :

• Untuk menentukan fluks massa, G choked, prosedurnya sebagai berikut : 1. Tentukan Fanning friction factor dari pers 4-34

2. Tentukan Ma1

3. Tentukan fluks massa G

(33)

33

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

• Prosedur dapat disederhanakan dengan mendefinisikan faktor Y

^g

menjadi Persamaan Darcy :

• ∑Kf diperoleh dengan menggunakan metode 2-K

Yg diperoleh dari pers. :

(34)

34

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

• Prosedur untuk menentukan laju alir massa adiabatik melalui pipa atau lubang adalah sebagai berikut :

1. Data : γ, panjang pipa, diameter dan tipe; aliran masuk dan keluar pipa; jumlah dan tipe fitting, total pressure drop; densitas gas upstream

2. Asumsi aliran yang terjadi turbulen untuk menentukan faktor friksi untuk pipa dan hilang tekan untuk pipa masuk dan keluar dan fitting. Jumlahkan hilang tekan individual untuk mendapatkan ∑Kf.

3. Hitung (P1- P1)/P1 dari pressure drop spesifik. Cek nilai ini dengan gambar 4-13 untuk menentukan apakah aliran sonic. Tentukan P2 dengan menggunakan gambar 4-13 secara langsung, interpolasi nilai dari tabel, atau dengan menggunakan pers. yang tersedia pada tabel 4-4

4. Tentukan faktor ekspansi dari gambar 4-14 5. Hitung laju alir massa dengan pers

(35)

35

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

(36)

36

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

(37)

37

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

(B) ALIRAN ISOTERMAL

(38)

38

• Asumsi :

• Ketentuan:

• Pers Mach diubah dengan pers ketentuan di atas :

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

(39)

39

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

• Masalah khas adalah menentukan fluks massa G diberikan data panjang pipa (L), diameter dalam (d), dan tekanan upstream dan down stream (P1 dan P2). Prosedur nya :

1. Tentukan Fanning friction factor f menggunakan pers 4-34 2. Hitung fluks massa G

• Levenspiel menunjukkan bahwa kecepatan maksimum yang mungkin selama aliran gas isotermal bukan kecepatan sonic seperti kasus adiabatik. Dalam aturan Mach kecepatan maksimum adalah :

• Kemudian dimulai dengan neraca energi mekanik dan disusun ulang menjadi :

(40)

40

(6) Aliran Gas Melalui Pipa

• Persamaan untuk aliran choked pada pipa isotermal :

• Dimana G choked adalah fluks massa dengan unit massa/waktu luas dan

• Untuk sebagian besar kasus, panjang pipa (L), diameter dalam (d), Tekanan upstream (P1) dan temperatur (T) diketahui. Fluks massa G dihitung mengikuti prosedur :

1. Tentukan Fanning Friction Factor dari pers 4-34 2. Tentukan Ma1 dari pers 4-83

(41)

41

(7) Flashing liquid

• Cairan yang disimpan pada tekanan di atas titik didih normalnya akan memberikan masalah karena makan terjadi flashing

• Cairan tersebut menguap cepat dan terkadang dapat meledak.

• Flashing berlangsungcepat dengan asumsi proses terjadi secara adiabatik

• Kelebihan energi yang dikandung pada superheated-nya menguapkan cairan dan menurunkan temperatur titik didihnya.

• Kelebihan energi superheated dinyatakan :

• Energi tersebut menguapkan cairan, massa cairan yang diuapkan :

• Fraksi cairan yang teruapkan :

• Perubahan massa cairan menghasilkan perubahan temperatur :

(42)

42

• Integrasi persamaan diatas :

• Fraksi uap :

• Laju massa untuk cairan terdiri beberapa zat lain yang terlarut :

(7) Flashing liquid

(43)

43

(7) Flashing liquid

• Untuk cairan yang disimpan pada tekan uap jenuh, P = Psat perlu pendekatan yang lebih detail. Dari neraca energi mekanik dan volume spesifik yang dinyatakan sebagai v = 1/ρ :

• Laju massa G :

• Asumsi laju massa konstan :

• Selesaikan untuk laju massa G (kead.maksimum/choked) :

• Dibawah aliran choked dG/dP = 0. Hasilnya :

(44)

44

(7) Flashing liquid

• Selesaikan pers. untuk G :

• Volume spesifik 2 fasa dan diturunkan menjadi :

→

• Dimana : dan pers Clausius-Clapyron : sehingga diperoleh :

• Persamaan akhir laju alir massa :

(45)

45

(8) Penguapan genangan cairan

• Total massa yang menguap adalah sebagai berikut :

(46)

46

• Persamaan transfer panas dinyatakan sebagai berikut:

• Panas penguapan diasumsikan sebagai semua panas yg diperlukan untuk menguapkan cairan

:

(8) Penguapan genangan cairan

(47)

47

SOURCE MODELS

• Kasus Pelepasan Realistik dan Terburuk

Pelepasan Realistik merepresentasikan keluaran insiden dengan probabilitas kejadian yang tinggi.

Pelepasan terburuk adalah kejadian yang diasumsikan hampir bencana kegagalan besar dari proses yang dihasilkan pelepasan tiba-tiba ke seluruh inventaris proses

Tabel 4-5 berisi tentang jumlah kasus realistik dan terburuk

(48)

48

SOURCE MODELS

(49)

49

Terima Kasih

06