BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perilaku fluida merupakan hal yang penting dalam teknik proses pada

umumnya dan merupakan salah satu dasar yang diperlukan untuk mempelajari satuan-

satuan proses. Proses-proses di industri kimia acap kali memerlukan pengaliran fluida

melalui pipa, saluran dan peralatan proses. Para sarjana kimia biasanya berhadapan

dengan masalah aliran didalam pipa tertutup yang penuh dengan fluida bergerak. Tetapi

mereka juga sering menemukan masalah dimana fluida yang mengalir dalam pipa tidak

terisi penuh.

Di industri kimia, penggunaan energi sangat penting. Sedangkan didalam

suatu sistem perpipaan, pada proses perpindahan massa terdapat energi yang hilang dari

fluida.

1.2 Tujuan Percobaan

Percobaan ini bertujuan untuk :

1.2.1 Dapat melakukan peneraan orificemeter.

1.2.2 Dapat menentukan koefisien orificemeter (Co).

1.2.3 Dapat menentukan friction losses pada sistem perpipaan (Ғ)

1.2.4 Dapat menentukan panjang ekivalen dari perangkat perlengkapan sistem

perpipaan (Le).

1.2.5 Dapat menentukan karekteristik pompa.

1.3 Ruang Lingkup

Fluida terbagi menjadi dua, yaitu: fluida cair dan fluida gas. Berdasarkan

pengaruh tekanan dan temperatur terhadap densitas, fluida dibagi menjadi dua:

1. Fluida incompressible (tak mampu mampat)

Adalah fluida yang jika tekanan dan suhunya berubah maka akan mengakibatkan

ketidakberubahan densitas fluida secara signifikan.

Contoh: zat cair ( air,larutan)

2. Fluida compressible (mampu mampat)

Adalah fluida yang jika temperature dan tekanan berubah sedikit saja maka akan

mengakibatkan perubahan densitas fluida secara signifikan.

Contoh: gas

Dalam percobaan ini yang akan digunakan adalah fluida incompressible (tak

mampu mampat) yaitu air dalam suatu sistem perpipaan yang digunakan untuk

mempelajari energi yang hilang akibat adanya faktor gesekan dan adanya bagian-bagian

dari perlengkapan pipa. Dimana pada sistem perpipaan tersebut tidak terdapat konsumsi

dan regenerasi yang dilakukan oleh fluida (air). Selain itu kondisi yang terjadi

diasumsikan steady state dan tidak melibatkan alat penukar panas.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Fluida merupakan zat yang mampu mengalir dan menyesuaikan diri dengan

bentuk tempatnya. Pada suhu dan tekanan tertentu, setiap fluida mempunyai densitas

atau rapat massa tertentu. Walaupun densitas fluida bergantung pada suhu dan tekanan,

perubahan densitas karena perubahan variable itu mungkin besar dan mungkin kecil.

Jika densitas itu hanya sedikit terpengaruh oleh perubahan yang agak besar pada suhu

dan tekanan tertentu, maka fluida tersebut disebut fluida tak mampu mampat

(incompressible). Tetapi apabila densitasnya peka terhadap perubahan variable tekanan

dan temperature disebut fluida mampu mampat (compressible). Zat cair biasanya

dianggap fluida tak mampu mampat. Sedangkan gas merupakan fluida mampu mampat.

Untuk mempelajari karakteristik aliran fluida tak mampu mampat dalam

sistem perpipaan, yang meliputi pipa beserta alat perlengkapannya berlaku hukum

Bernoulli.Persamaan Bernoulli ini diturunkan dari persamaan neraca energi yaitu:

d [m( u + g.z + )]sys = ( U + + g.z + )in dmin – ( U + + g.z + )out dmout + dQ –

dw

dengan asumsi bahwa sistem dalam keadaan steady state, maka nilai akumulasi = 0

maka persamaannya menjadi:

( U + + g.z + )in dmin – ( U + + g.z + )out dmout = dQ – dW

kedua ruas dibagi aliran massa

( U + + g.z + )in – ( U + + g.z + )out = dQ/dm – dW/dm

input – output = akumulasi

+ g. + = - – ( – )

Karena fluida yang digunakan adalah fluida yang incompresible liqiud maka

– = Ғ,sehingga persamaan diatas menjadi:

( + g. + ) = - – Ғ ( Persamaan Bernoulli )

2.1 Pengukuran laju alir

Untuk mengukur laju alir fluida di dalam pipa digunakan orificemeter.

Orificemeter adalah alat untuk mengukur laju alir fluida didalam pipa. Persamaan baku

orificemeter dapat diturunkan dari persamaan Bernoulli.

( + g. + ) = - – Ғ

Dengan menggunakan asumsi :

1. diabaikan karena pada sistem yang ditinjau yaitu orifice ketinggian aliran

masuk sama dengan tinggi aliran keluar.

2. W dapat diabaikan karena sistem yang ditinjau adalah orificemeter, dimana pada

sistem tersebut tidak terdapat pompa.

3. F dapat diabaikan karena diasumsikan fluida adalah fluida ideal dimana tidak

terjadi gaya tarik menarik dengan dinding orificemeter.

Sehingga persamaan Bernoulli diatas menjadi :

- = 0

= P2–P1 v2 = v22 – v1

2

Maka di dapat persamaan :

+ = 0 ……………………….(1)

Dari neraca massa :

(laju alir massa masuk)–(laju alir massa keluar)+(konsumsi)–(regenerasi)= (akumulasi)

min – mout + konsumsi – regenerasi = akumulasi

karena tidak ada reaksi kimia yang terjadi maka konsumsi dan regenerasi dapat

diabaikan atau nilainya mendekati nol. Sedangkan untuk akumulasi karena sisitem

diasumsikan steady state maka akumulasi dapat diabaikan atau sama dengan nol.

Dari asumsi diatas maka diperoleh:

– = 0

=

laju alir massa (m) sendiri merupakan hasil perkalian antara densitas(ρ) fluida dengan

debit (Q)

=

ρ1.Q1 = ρ2.Q2

ρ1.A1.v1 = ρ2.A2.v2

karena fluida yang digunakan adalah fluida tak mampu mampat maka ρ1 = ρ2

A1.v1 = A2 .v2 ( persamaan kontinuitas )

v1 = * v2 …………………………………..(2)

persamaan (1) dan (2)

=

=

=

=

=

=

Dengan asumsi yang digunakan untuk merumuskan kecepatan fluida dimana tidak

terdapat beda ketinggian (∆Z = 0) dan tidak ada kerja yang digunakan (W = 0), maka

perlu digunakan factor koreksi ( Co )

= Co .

Q A2.v2

Q = Co.A2.

Q = Co.A2.

Harga Co.A2. tetap, maka dimisalkan sebagai k sehingga dapat ditulis

Q = k dimana =

Maka untuk kalibrasi orificemeter dapat dilakukan dengan membuat grafik Q terhadap

Q

Slope dari grafik diatas adalah harga nilai dari konstanta k. apabila harga k di ketahui

maka kita dapat menentukan harga factor koreksi (Co)

2.2 Bilangan Reynold

Bilangan Reynold (NRe) adalah suatu bilangan tanpa dimensi yang berlaku

pada saat zat alir dengan viskositas μ dan densitas ρ yang mengalir dengan laju v

melalui suatu pipa ( atau melalui suatu rintangan ) dengan diameter D

NRe =

Pada sistem perpipaan tertutup baik untuk aliran laminer maupun aliran turbulen

memiliki harga NRe = 10.000 dengan syarat alirannya stedi state dan berkembang

penuh (McCabe, Smith dan Harriot, Operasi Teknik Kimia jilid 1).

2.3 Faktor Gesekan

Apabila di dalam aliran fluida terdapat gaya gesekan dengan pipa maka dapat

digunakan persamaan fanning :

Dimana Ғ : Hilang tekan karena gesekan (N/m2)

ƒ : factor gesekan

v : kecepatan rata-rata fluida (m/s)

l : panjang pipa (m)

ρ : densitas fluida (kg/m3)

D: diameter pipa (m)

gc: 1 (tetapan konvensional) (kg.m/N.s2)

Persamaan fanning berlaku tergantung pada jenis kekasaran pipa dan jenis

aliran. Besarnya gaya gesek didalam pipa dapat dihitung juga dengan persamaan

Bernoulli. Adapun asumsi yang digunakan adalah sebagai berikut :

1. Kecepatan di sepanjang pipa tetap

2. Tidak terdapat perbedaan ketinggian.

3. Tidak ada kerja masuk.

2.4 Panjang Ekivalen

Panjang ekivalen adalah panjang pipa lurus yang dapat digunakan untuk

menggantikan sambungan (misal : valve, elbow, sambungan T, dll) dimana pada laju

alir yang sama memberikan pressure drop atau friction losses yang sama.

Ғ = ……….. (1)

= - Ғ ………………(2)

persamaan (1) dan (2) :

=

=

Dalam penentuan factor fanning dapat dilakukan dengan menggunakan 3 cara yaitu:

1. Dengan menggunakan grafik NRe terhadap factor gesekan Ғ . Apabila

menggunakan grafik maka ada data yang diperlukan yaitu tingkat kekerasan pipa

harus diketahui.

2. Menggunakan persamaan rumus empirik yaitu factor fanning fungsi dari

bilangan Reynold ƒ = φ (NRe)

Untuk aliran laminar : NRe < 2000

untuk aliran turbulen : NRe > 4100

3. Menggunakan data-data percobaan

2.5 Pompa

Pompa digunakan dalam sistem aliran untuk meningkatkan energi mekanik

fluida yang mengalir. Peningkatan itu digunakan untuk mempertahankan aliran. Energi

mekanik yang diberikan pompa harus dikurangi dengan rugi gesekan. Tetapi pada

prakteknya digunakan efisiensi pompa. Untuk mengetahui kerja pompa yang diberikan

pada sistem maka kita dapat menggunakan persamaan Bernoulli dengan menggunakan

asumsi yaitu:

1. Kecepatan di sepanjang pipa sama ( =0)

2. Factor gesekan pompa diabaikan

3. Tidak terdapat perbedaan ketinggian ( =0)

Maka persamaan Bernoulli :

= -

Karakteristik pompa dapat ditentukan berdasarkan:

1. Kerja Pompa (W) :

2. Head pompa (H)

3. Daya pompa ( P )

4. Efisiensi pompa ( η )

P = Daya teoritis yang didapat dari persamaan bernoulli

P act = Daya poros yang disuplai oleh pompa

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Alat dan Bahan

1. Alat

Pipa, tangki, pompa 1 buah

Orificemeter 1 buah

Manometer pipa U 2 buah

Viskometer 1 buah

Piknometer 1 buah

Stopwatch 1 buah

Gelas ukur 1000 ml 1 buah

2. Bahan

Aquadest

Air kran

3.2 Prosedur Kerja

1. Peneraan Orificemeter

Mengisi tangki dengan air hingga ketinggian tertentu

Mengalirkan air dari tangki dengan bantuan pompa ke pipa yang telah di

pasang orificemeter kemudian ukur perbedaan ketingguan manometer

Mengukur waktu yang diperlukan air untuk mencapai volume tertentu

Mengukur t dan V untuk perbedaan manometer yang lain

2. Penentuan faktor gesekan pipa

Mengisi tangki dengan air kran sampai ketinggian tertentu

Menentukan volum control yang akan digunakan pada sistem

Memasang manometer pada pipa yang akan ditentukan factor

gesekannya

Mengalirkan air pada pipa yang sudah ditentukan dengan bantuan

pompa secara recycle

Mencatat pada manometer yang dipasang pada orificemeter

dan pipa

3. Penentuan panjang ekivalen

Menentukan volum control yang akan digunakan sebagai sistem

Memasang manometer pada perlengkapan pipa yang akan diukur

panjang ekivalennya

Mengalirkan air pada system yang telah ditentukan dengan bantuan

pompa secara recycle

Mencatat manometer yang dipasang pada perlengkapan pipa dan

orificemeter

4. Efesiensi pompa

Menentukan volum control yang akan digunakan sebagai sisitem

Mengalirkan air pada pipa

Mencatat pada orificemeter, serta waktu alir

3.3 Skema Alat

BAB IV

HASIL PERCOBAAN

4.1 Kurva Kalibrasi Orificemeter

Kalibrasi Orificem eter

y = 0.0014x

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3Ah (m )

Q (

m3/

s)

4.2 Kurva hubungan Q (m3/s) terhadap Co (Faktor koreksi orifice)

Grafik Q (m 3/s) terhadap Co

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Co

Q (

m3/

s)

4.3 Kurva Karakteristik Pompa

Kurva karakteris tik pom pa

y = 3E-05x + 0.0001R2 = 0.9847

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

W

Q (

m3/

s)

Kurva hubungan Q (m 3/s ) te rhadap n (e fis iens i)

y = 9263.4x - 1.3521

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035 0.0004

Q (m 3/s )

n

Kurva hubungan Q (m 3/s) terhadap H (Head total)

y = 0.0003x + 0.0001R2 = 0.9847

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

H

Q (

m3/

s)

4.4 Kurva hubungan Q (m3/s) terhadap F (friction losses)

Kurva hubungan Q (m 3/s) terhadap F (friction Losses)pada pipa D 1.25 in

y = 0.0004x + 0.0001R2 = 0.9162

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

F

Q (

m3/

s)

Kurva hubungan Q (m 3/s) terhadap F (friction Losses)pada pipa D 1 in

y = 0.0004x + 0.0001R2 = 0.9803

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

F

Q (

m3/

s)

Kurva hubungan Q (m 3/s ) terhadap F (fr iction Losses)pada pipa D 0.75 in

y = 0.0003x + 7E-05R2 = 0.9842

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

F

Q (

m3/

s)

4.5 Kurva hubungan Q (m3/s) terhadap Le (Panjang Ekivalen)

Kurva hubungan Q (m 3/s) terhadap Le (Panjang Ekivalen)pada pipa D 1.25 in

y = 0.0007xR2 = 1

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Le

Q (

m3/

s)

Kurva hubungan Q (m 3/s) terhadap Le (Panjang Ekivalen)pada pipa D 1 in

y = 0.0004x - 2E-18R2 = 1

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Le

Q (

m3/

s)

Kurva hubungan Q (m 3/s) terhadap F (friction Losses)pada pipa D 0.75 in

y = 0.0003x + 7E-05R2 = 0.9842

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

F

Q (

m3/

s)

Kurva hubungan Q (m 3/s) terhadap Le (Panjang Ekivalen)pada Elbow

y = 0.0007x + 6E-19R2 = 1

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Le

Q (

m3/

s)

Kurva hubungan Q (m 3/s ) te rhadap Le (Panjang Ek ivalen)pada sam bungan T

y = 0.0007x + 6E-19R2 = 1

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Le

Q (

m3/

s)

BAB V

PEMBAHASAN

5.1. Pengaruh koofisien koreksi (Co) terhadap debit (Q)

Grafik Co terhadap Q (debit) berupa grafik dengan garis lurus sehingga dapat

disimpulkan dengan meningkatnya atau menurunya harga Q maka harga Co tidak akan

mengalami perubahan (konstan). Hal ini sesuai dengan perumusan hubungan Q

terhadap √∆h :

Q = Co.A2.

Hal itu dapat terjadi karena koefisien orifice (Co) merupakan suatu faktor

koreksi dari adanya pengecilan atau pembesaran mendadak dalam sistem perpipaan,

sehingga dengan ukuran (diameter) Co yang tetap akan membuat faktor koreksi Co

bernilai konstan untuk setiap debit laju alir yang berbeda.

Dari data literatur, harga Co relatif konstan selama nilai NRe > 2000. Harga Co

untuk aliran turbulen sebesar 0.61 ( McCabe, Smith and Harriot ). Pada percobaan

didapat harga Co sebesar 0.61432, hasil ini cukup mendekati dengan harga Co dari

literatur.

5.2. Pengaruh Friction losses (Ғ) pada pipa lurus terhadap debit (Q)

5.2.1 Diameter pipa berubah dengan debit tetap

Dari grafik Ғ terhadap Q dapat dilihat bahwa pipa yang diameternya paling kecil

memiliki nilai friction losses (Ғ) yang paling besar. Hal ini disebabkan oleh ruang

gerak fluida (air kran) untuk mengalir lebih sempit sehingga hampir seluruh

permukaan fluida (air kran) bergesekan dengan dinding pipa.

5.2.2 Diameter pipa tetap dan debit berubah

Dari grafik Ғ terhadap Q dapat dilihat nilai Ғ meningkat seiring dengan

meningkatnya laju alir volumetrik (Q). Hal ini dapat terjadi karena energi kinetik

yang dibawa oleh fluida sebagian berubah bentuk menjadi energi panas yang

dihasilkan oleh gesekan antara fluida dengan dinding pipa, sehingga dapat

disimpulkan semakin cepat fluida mengalir maka hilang energi akibat gesekan

akan semakin besar pula.

5.3. Pengaruh Panjang Ekivalen (Le) terhadap Debit (Q)

Panjang ekivalen merupakan panjang pipa lurus yang mewakili panjang dari

sistem perlengkapan pipa dimana dapat memberikan friction losses yang sama dan

pressure drop yang sama. Dari grafik dapat dilihat semakin besar debit (Q) yang

diberikan maka panjang ekivalen yang diperlukan semakin besar pula.

5.4. Pengaruh Tinggi Tekan, Efisiensi, dan Kerja Pompa terhadap Debit (Q)

5.4.1 Pengaruh Efisiensi (η) pompa terhadap debit (Q)

Pada percobaan ini efisiensi pompa yang diperoleh kecil sekali. Hal ini disebabkan

oleh pengambilan sistem kontrol yang digunakan untuk menentukan efisiensi

pompa. Seharusnya sistem kontrol yang digunakan adalah sistem pompa. Tetapi

karena keterbatasan alat yang digunakan sistem yang dipakai adalah sistem yang

paling dekat dengan letak pompa yaitu sistem orificemeter.

5.4.2 Pengaruh kerja, daya, dan tinggi tekan total

Laju alir massa fluida yang di keluarkan semakin banyak jika laju alir yang

diberikan semakin besar. Untuk memperbesar laju alir tersebut, dibutuhkan daya

hisap pompa (P) yang besar sehingga kerja yang dihasilkan pompa (W) akan

semakin besar pula. Hal ini dapat dilihat dari grafik W terhadap Q dan P terhadap

Q dimana nilai P dan W meningkat seiring dengan bertambahnya nilai Q.

5.4.3 Pengaruh tinggi tekan total (H) terhadap debit (Q)

Tinggi tekan total yang dihasilkan dari percobaan ini adalah 0.4427m atau sekitar

45 cm. Nilai ini tidak sesuai dengan sistem yang digunakan pada percobaan yang

tingginya sekitar 180 cm. Hal ini disebabkan oleh sistem kontrol yang digunakan

bukan sistem pompa melainkan sistem yang terdekat dengan letak pompa yaitu

sistem kontrol orificemeter.

BAB VI

KESIMPULAN

Harga Co yang diperoleh dari percobaan adalah 0.61432

Friction losses untuk setiap pipa:

Untuk D = 1.25 in diperoleh harga Ғ = 0.2479 m2/s2

Untuk D = 1.00 in diperoleh harga Ғ = 0.4132 m2/s2

Untuk D = 0.75 in diperoleh harga Ғ = 0.5547 m2/s2

Panjang ekivalen untuk system perlengkapan pipa:

Valve 1 : 0.3667 m

Valve 2 : 0.6341 m

Valve 3 : 1.0286 m

Elbow : 0.3667 m

Sambungan T : 0.3667 m

Karakteristik pompa ditentukan oleh kerja yang dihasilkan pompa, daya pompa,

efisiensi, dan tinggi tekan total dari pompa.dari percobaan ini diperoleh:

W : 4.3384 watt

P : 1.2364 watt

η : 0.9891 %

H : 0.4427 m

BAB VII

DAFTAR PUSTAKA

1. Mc.Cabe, Smith and Carnot, “Operasi Teknik Kimia I”, Terj. Ir.G. Jasjfi,

Erlangga,1999

2. Noel de Nevers, “Fluid Mechanics For Chemichal Engineering”, McGraw

Hill,1973.

3. Perry, J.H, “Chemichal Engineers Handbook”,McGraw Hill,1973.

Lampiran D

Contoh Perhitungan

D.1 Menentukan densitas air kran

D.2 Menentukan Viskositas air

D.3 Menghitung Gaya Gesekan pada pipa

Diameter 1.25 in

D.4 Menghitung Panjang Ekivalen

Pada Valve 1

D.5 Menghitung faktor gesekan

Diameter 1.25 in

D.6 Menghitung Koefisien Orifice