Pompa (1) - Bernoulli dan NPSH

Di dalam sebuah proses, pompa digunakan sebagai alat yang berfungsi untuk memberikan energy mekanik ke dalam sebuah liquid dengan tujuan agar liquid tersebut dapat bersirkulasi di dalam sebuah sirkuit/lintasan perpipaan, sesuai dengan debit yang diharapkan, dengan tetap memperhatikan kondisi seperti perubahan tekanan dan juga ketinggian yang harus dilalui oleh liquid tersebut dalam suatu system.

Untuk mengetahui berapa tenaga yang dibutuhkan dalam hal memindahkan sebuah liquid, kita biasa menggunakan persamaan konservasi energy mekanik (atau lebih umum dikenal sebagai persamaan Bernoulli):

Persamaan Bernoulli (tanpa melibatkan perubahan suhu)

Seorang enginer proses tidak pernah membuat pompa ataupun kompresor. Namun, mereka membelinya pada seorang penyedia spesialis (vendor), kemudian merangkainya pada sebuah system dan menggunakannya. Bagian dari merangkai dan menggunakan pompa tersebut merupakan sebuah pengetahuan yang harus dimiliki oleh seorang enginer proses. Konsekuensinya, mereka harus mengetahui tipe dari pompa yang akan dipakai, property daripada liquid yang akan ditangani dan kapasitas pompa yang ingin digunakan.

Untuk analisa yang akan digunakan kali ini, kita berasumsi bahwa liquida bersifat incompressibles; memiliki densitas yang cukup tinggi, dan ia bisa menguap jika kita meletakkannya pada kondisi dimana tekanan cukup rendah dan suhu tinggi.

Kondisi Penyedotan (Aspiration Condition)

Gambar 1. Kondisi aspirasi pada sebuah pompa

Sebuah pompa wajib digunakan dengan mengikuti kondisi yang akurat dalam hal aspirasi (penyedotannya). Dalam gambar 1, kita mereprentasikan sebuah pompa, yang digunakan untuk menyedot liquid dalam sebuah tanki yang dipertahankan dalam kondisi tekanan p dan diletakkan sedemikian rupa supaya ketinggian antara pompa dengan permukaan bebas liquid terletak sebesar Δh lebih rendah.

Untuk analisa pertama, dengan menganggap bahwa liquid dalam tanki static, dan mengabaikan term energy kinetic dan kehilangan karena adanya friksi. Maka, kita bisa mendapatkan tekanan pada pompa, pa, sebesar

 Maka, semakin besar ketinggian pompa terhadap liquid, semakin Pa akan berkurang. Batasnya adalah ketika Pa menjadi sama dengan tekanan vapor Pv dari liquid pada suhu kerja. Setiap kenaikan tambahan dari delta h akan menyebabkan vaporisasi dari liquid dalam system perpipaan, dan pompa tidak akan bisa berfungsi lagi karena tugas dari pompa adalah untuk memindahkan liquid bukan gas. Nilai maksimal dari delta h adalah

Catatan :

1. Delta h max menjadi lebih rendah ketika tekanan yang berlaku dalam tanki diperendah. 
2. Untuk sebuah tanki yang terbuka pada atmosfer, yang memompa air pada suhu 20 C, kondisi dimana tekanan uap rendah, delta h max sekitar 10 m.
 3. Tekanan uap memberikan peran yang sangat penting, terutama pada liquid dengan temperature tinggi atau volatil.
4. Kondisi seperti diatas tidak bisa ditandingi, ketika liquid terletak pada level yang cukup rendah (ex: terletak di dasar sumur), maka satu-satunya solusi adalah dengan menurunkan pompa mendekati liquid supaya delta h tetap lebih rendah dibanding nilai maksimal yang diijinkan.

Kenyataannya, titik dari tekanan minimal atas system perpipaan dimana liquid berpindah, tidaklah pada bagian entrance pompa, tetapi pada suatu tempat pada bagian dalam alat ini. Oleh karena itu, limitasi dari delta h lebih kecil dari yang ditunjukkan. Dengan kata lain, ia bergantung dari karakteristik alat dan juga debit; informasi ini disediakan oleh pabrikan.

Banyak pabrikan eropa yang menyatakan data tersebut dalam bentuk variasi dari ketinggian aspirasi, delta h max, dengan kondisi tanki terbuka pada atmosfer, p = p atm, dan dimana liquid yang dipompa memberikan tekanan uap nol. Sedangkan, untuk konstruktor Inggris-Amerika, lebih kearah menyediakan data ini dalam bentuk NPSH (Net Positif Suction Head). NPSH adalah nilai minimal dari tekanan, yang diekspresikan dalam meter liquid yang dipompa yang harus dijaga pada tempat masuk liquid (entrance) pompa.

Sebagai tambahan, aliran dalam perpipaan menyebabkan kehilangan energy karena friksi, yang bisa menurunkan delta h max yang diijinkan. Prakteknya, kita meminimalkan energy yang hilang karena friksi ini dengan menggunakan diameter yang lebar, meminimalkan penggunaan elbow, dan membatasi penggunaan alat untuk mengatur/mengukur debit (ex: valve).

 

Untuk mengakhiri analisis dari aspirasi ini, jika kondisi yang dibutuhkan oleh pompa tidak dijalankan, maka pompa tidak bisa bekerja. Dalam kasus dimana kondisi mendekati batas yang diijinkan, sedikit perubahan dari parameter operasi (misalkan: suhu atau temperature liquid) bisa mengakibatkan peristiwa kavitasi. Melalui kavitasi, akan mendatangkan berbagai macam phenomena yang kompleks seperti penguapan dalam zona tekanan rendah, diikuti dengan rekondensasi ketika tekanan naik, yang kemudian bisa diikuti dengan getaran yang intens dan juga cepat, yang pada akhinya bisa menyebabkan rusaknya pompa.

Konsep Fundamental dalam Proses Perpindahan (3, finale) : Kompressibilitas dan Dilabilitas, Konduksi/difusi dan Konveksi

Mungkin masih banyak yang masih bisa dikupas, namun konsep fundamental ini harus diakhiri hanya sampai dengan tiga tulisan saja. Saya pikir alangkah lebih baik memang kita lebih banyak membahas hal yang lebih praktis, namun memang sulit untuk memasukkan berbagai macam persamaan dalam blog dikarenakan aplikasi ini masih belum mensupport symbol-simbol matematik, sehingga jikapun dipaksakan. Hasilnya hanya baris-baris kosong.

Kali ini ada dua sub topic yang akan kita bahas:

1) Kompressibilitas dan dilabilitas

2) Konduksi/difusi dan konveksi.

Sering kita menjumpai di alam ini, dua perilaku alamiah yang saling berkebalikan. Ada tinggi, ada rendah, ada positif dan ada juga negatif. Segala sesuatu di alam ini selalu berupaya untuk mencapai titik kesetimbangan dalam dua hal yang berlawanan tersebut. Sebuah hakekat kehidupan yang akan terus exist sampai alam ini berakhir.

Kompressibilitas dan dilabilitas

Dua perilaku ini berlaku pada fluid, dimana physical sense yang harus ada di benak kita adalah densitas (massa jenis). Orang Prancis menyebutnya dengan “massa volumik”. Saya kira lebih masuk akal dengan menyebutnya dengan istilah massa volumik daripada massa jenis karena berdasarkan definisi densitas adalah massa suatu benda dibagi dengan volume benda tersebut. Kadang memang kita harus mencari sebuah istilah yang memang lebih mudah untuk dipahami meskipun itu harus menyadur dari orang lain.

Sebuah fluid dikatakan bersifat kompressibel jika pada temperature konstan, pada kondisi tekanan yang bervariasi, volumenya berubah. Di sisi lain, sebuah fluid dikatakan bersifat dilatable jika pada tekanan konstan, dimana temperaturenya bervariasi, volumenya berubah.

Liquid bersifat incompressibles sedangkan gas bersifat compressibles. Itulah mengapa turbin digerakkan oleh steam. Karena stream bisa dikompress sehingga menjadi bertekanan tinggi, dari tekanan tersebut itulah ia memberikan tenaga untuk menggerakkan turbin. Dalam hal lain, liquid lebih bersifat dilatable jika dibandingkan dengan gas. Hal inilah yang menyebabkan mengapa air dalam wujud liquid memiliki massa yang berbeda-beda menurut suhu. Sebagaimana kita tahu, sebagai standard yang sering digunakan untuk kepentingan praktis, massa volumik air adalah 1000 kg/m3. Massa volumik ini terjadi jika air berada pada suhu 20 celcius dan tekanan atmosfer.

Konduksi/difusi dan konveksi

Dua tipe jenis perpindahan yang berbeda, difusi dan konveksi. Difusi atau konduksi merupakan bentuk peristiwa perpindahan secara gradual, dari satu titik ke titik yang lainnya, sedangkan konveksi, adalah suatu jenis perpindahan yang terletak dari pergerakan secara serempak dari suatu molekul yang turut membawa massa.

Untuk lebih mudah membedakan : difusi disebabkan oleh adanya perbedaan properti fisik. Contohnya: difusi momentum disebabkan perbedaan kecepatan (aliran couette, hukum Newton), konduksi panas disebabkan perbedaan temperature (hukum fourier) dan difusi materi disebabkan perbedaan konsentrasi (hukum Fick). Tentu saja jenis transportasi ini akan selalu bergerak dari zona yang memiliki nilai properti fisik yang lebih tinggi ke nilai yang lebih rendah. Ex: seperti ketika kita sedang mencelupkan teh ke dalam air dan ia menyebar ke segala arah, seperti ketika kita sedang memanaskan ujung besi di satu sisi kemudian ia bisa menyebar ke sisi yang lain. Sedangkan konveksi, dalam hal ini kita menyebutnya forced convection, karena ada jenis konveksi yang lain, adalah adanya aliran yang disebabkan oleh adanya external force ex: pompa, kompresser dan jenis force yang lain yang menyebabkan pergerakan dari fluida.

 

Yang perlu untuk kita ketahui bahwa kita tidak bisa lepas daripada kedua jenis perpindahan ini dalam dunia sehari-hari. Seperti contohnya, kita ingin melarutkan gula dalam air. Secara alamiah gula akan melarut dalam air dikarenakan adanya difusi akibat perbedaan konsentrasi, namun seringkali kita mengambil sendok untuk kemudian memberikan suatu gaya inerti sehingga gula lebih cepat untuk melarut ke dalam air. Inilah yang juga terjadi dalam suatu industry, maka seringkali kita melihat ada sebuah reactor dengan pengaduk (mixed flow reactor). Sebagaimana kita ketahui bahwa waktu sendiri adalah merupakan sebuah unit satuan yang perlu kita pertimbangkan dalam sebuah proses. Dalam hal ini, waktu berkaitan dengan seberapa cepat kita mengolah sebuah bahan mentah. Ada sebuah bilangan tak berdimensi, yang sering kita pergunakan untuk membandingkan seberapa besar konveksi atau dalam hal ini inertial force terhadap kecenderungan suatu fluid untuk mempertahankan keadaannya (viscous force). Ia bernama REYNOLD NUMBER. Dalam hal ini, ia bisa digunakan untuk memprediksi apakah fluid akan mengalir secara laminar atau turbulent. Jika kembali pada asal mula ditemukannya bilangan tersebut, kita akan menyaksikan bahwa penelitian ini dimulai dengan eksperimen yang dilakukan oleh reynold untuk menyelidiki tentang perilaku darah dalam suatu aliran. Kemudian, ia beralih pada aliran dalam pipa yang diberi zat pewarna. Tentu saja banyak industri yang bekerja dengan menggunakan aliran turbulent. Kenapa? Aliran turbulen akan memberikan sebuah manfaat lain yaitu adanya pencampuran akibat adanya vorteks aliran yang akan menghasilkan suatu fluida yang homogen. Hal ini tentu saja menjadi penting, sebab aliran yang homogen adalah kunci untuk mendapatkan produk yang memiliki kualitas yang sama.

Dari REYNOLD, kita belajar bahwa sebuah penelitian memang harus dirancang untuk tujuan praktis, meskipun begitu kita harus memulainya dari sesuatu yang sangat sederhana, karena kita tidak pernah tahu bagaimana alam bekerja. Ada begitu banyak kejadian yang membuat alam bisa seperti sekarang ini. Begitu banyak parameter yang berpengaruh, namun tugas seorang engineer/ researcher adalah mencari mana parameter yang berpengaruh secara signifikan karena segala sesuatu memiliki kontribusi secara berbeda-beda. Memodelkan dalam bentuk persamaan, menguji persamaan dengan hasil eksperimen untuk melakukan validasi. That’s the engineer/researcher way.

Konsep Fundamental dalam Proses Perpindahan (2) : Sistem kontinyu dan diskontinyu, State materi

Perbedaan antara pendekatan diskontinu dan kontinu

Sistem kontinyu dan diskontinyu dalam pendekatan local

Secara riil, materi (atom/molekul) yang ada di dalam alam ini dipisahkan dengan ruang hampa. Kita bisa bernapas karena ada udara(oksigen) yang bisa kita hirup. Meskipun udara tersebut tidak bisa kita lihat, namun kita bisa merasakan keberadaannya. Sistem diskontinyu mengandung pengertian bahwa ketika kita memberikan sebuah gaya kepada sebuah system, tiap entitas yang berada pada system tersebut akan bereaksi tidak sama, karena tiap entitas yang berada dalam satu system memiliki jarak yang cukup signifikan antara satu sama lain. 

Sebaliknya, system kontinyu, mengandung pengertian bahwa jarak antara satu entitas dengan entitas yang lainnya sangat kecil, sehingga ketika kita memberikan sebuah gaya, gaya tersebut akan tersalurkan secara teratur dari satu molekul ke molekul lainnya hingga kemudian gaya itu lenyap setelah mencapai jarak tertentu karena adanya energy yang hilang akibat penyaluran gaya tersebut. Pendekatan kontinyu ini adalah pendekatan yang dipakai ketika kita menggunakan pendekatan local. Namun, ia hanya bisa berlaku jika dimensi karakteristik system kita lebih besar jika dibandingkan dengan mean free path untuk fluida berfasa gas, atau diameter rata-rata molekul atau atom untuk fluida berfasa liquid. 

Sebuah bilangan tidak berdimensi yang bisa kita gunakan untuk memperkirakan apakah pendekatan secara kontinyu bisa dipergunakan adalah bilangan KNUDSEN :

 ===========================================================

Kn = λ/dc (mean free path untuk gas atau diameter rata-rata atom/molekul untuk liquid dibagi dengan diameter karakteristik)

 ===========================================================

penerapan bilangan knudsen untuk menentukan pendekatan penyelesaian masalah pada suatu sistem

Pendekatan secara kontinu, yang dipakai dalam cabang ilmu teknik proses klasik ini tidak berlaku jika :

1. Gas berada pada tekanan rendah. Seperti kita ketahui, gas dalam tekanan rendah akan memiliki mean free path yang jauh lebih besar dibandingkan dengan gas pada tekanan tinggi. Hal ini tentu saja akan mengakibatkan nilai Kn yang juga tinggi.
2.  Dimensi karakteristik system yang kecil. Contohnya: pekerjaan yang dilakukan pada bagian interior pori atau pada potongan submikronik

Sebagai tambahan, jika nilai Kn > 0.1, kita bisa bekerja dengan pendekatan diskontinu atau balistik.

State (kondisi) suatu materi

Di alam ini, kondisi suatu materi dapat dikategorikan menjadi tiga kelompok:

1. Gas (kompressibel).
2. Liquid (inkompressibel)
3. Solide (kecuali bubuk)

Suatu materi dapat dikatakan kompressibel jika apabila ia diberi tekanan,volumnya mengalami perubahan. Gas dan liquid disebut juga dengan “fluid”. Dalam kondisi ini materinya bisa mengalir sehingga bisa mengalami deformabilitas tanpa batas. Sedangkan solid,dimana disini tidak termasuk bubuk, dikarenakan bubuk sebagaimana kita ketahui bisa difluidisasikan, memiliki deformabilitas yang sangat terbatas dan kita hanya bisa memindahkannya dalam bentuk kumpulan (blok-blok).

Tiga kondisi materi tersebut ditentukan oleh kesetimbangan antara dua energy yang bekerja pada materi tersebut :

1. Energi kohesi               : gaya tarik-menarik antar atom atau antar molekul. Contoh gaya kohesi ini adalah ikatan hydrogen pada air yang menyebabkan molekul air bersifat polar. Akibat dari ikatan hydrogen ini adalah air lebih sukar untuk diuapkan 
2. Energi agitasi termal   : gaya saling menolak dikarenakan adanya rigiditas antar atom atau antar molekul. Sebagaimana kita tahu dalam percobaan yang dilakukan oleh Robert Brown, yang meneteskan serbuk benang sari ke dalam air. Jika diamati secara seksama melalui mikroskop, terjadi gerakan zig-zag dari benang sari tersebut. Maka dapat disimpulkan bahwa partikel air tidaklah diam, melainkan bergerak secara random seperti ditunjukkan oleh gerakan serbuk sari dengan energy kinetic tertentu. Suhu merupakan sebuah parameter penting yang bisa diukur untuk menandakan derajat agitasi termal dari atom-atom/molekul yang memiliki implikasi pada tingkat elevasi dari jarak antar atom atau antar molekul. Maka, jika kita kembali pada contoh air, jika temperature dinaikkan, dimana akan memicu berubahnya jarak antar molekul air. Pada suatu saat, energy agitasi yang bersifat saling menolak ini akan mengalahkan energy kohesi yang bersifat aktraktif. Hingga akhirnya, terjadilah perubahan fasa air dari liquid menjadi gas. 

Energi kohesi vs energi agitasi termal

Definisi :
mean free path : jarak tempuh rata-rata yang ditempuh oleh molekul sebelum akhirnya terjadi collision (tabrakan) antar molekul