BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Pemompaan Sistem pemompaan bertanggung jawab terhadap hampir 20% kebutuhan energi listrik dunia dan penggunaan energi dalam operasi pabrik industri tertentu berkisar 25-50%. Pompa memiliki dua kegunaan utama: Memindahkan cairan dari satu tempat ke tempat lainnya (misalnya air dari aquifer bawah tanah ke tangki penyimpan air) Mensirkulasikan cairan sekitar sistem (misalnya air atau pelumas yang melewati mesin-mesin dan peralatan). 2.2 Karakteristik Sistem Pemompaan Tahanan Sistem (Head) Tekanan diperlukan untuk memompa cairan melewati sistem dengan kecepatan tertentu. Tekanan ini harus cukup tinggi untuk dapat mengatasi Tahanan Sistem yang juga disebut sebagai Head. Head total merupakan jumlah dari head statik dan head gesekan atau friksi. 1

2 a) Head Statik Merupakan perbedaan tinggi antara sumber dan tujuan dari cairan yang akan dipompakan. Head statik merupakan aliran yang independen. Head statik pada tekanan tertentu tergantung pada berat cairan dan dapat ditentukan melalui persamaan berikut: Head (m) = Tekanan (bar) x 2.31 Specific Gravity Head statik terdiri dari: Head hisapan statis (h s ): dihasilkan dari pengangkatan cairan relatif terhadap garis pusat pompa. h s nilainya positif jika ketinggian cairan diatas garis pusat pompa, dan negatif jika ketinggian cairan berada dibawah garis pusat pompa (juga disebut pengangkat hisapan ) Head pembuangan statis (h d ): jarak vertikal antara garis pusat pompa dan permukaan cairan dalam tangki tujuan. Gambar Head Statik 2

3 a) b) Gambar 2.2 a). Sistem dengan Head statik tinggi; b). Sistem dengan Head Statik Rendah. a). Head Gesekan/Friksi (h f ) merupakan kehilangan yang diperlukan untuk mengatasi tahanan untuk mengalir dalam pipa dan sambungan-sambungan. Head ini tergantung pada ukuran, kondisi dan jenis pipa, jumlah dan jenis sambungan, debit aliran, dan sifat dari cairan. Head gesekan/ friksi sebanding dengan kwadrat debit aliran seperti diperlihatkan dalam gambar 2.1. Loop tertutup sistim sirkulasi hanya menampilkan head gesekan/ friksi (bukan head statik) Kurva Kinerja Pompa Head dan debit aliran menentukan kinerja sebuah pompa yang secara grafis ditunjukkan dalam Gambar 2.3 sebagai kurva kinerja atau kurva karakteristik pompa. Gambar memperlihatkan kurva pompa sentrifugal dimana head secara perlahan turun dengan meningkatnya aliran. Dengan 3

4 meningkatnya tahanan sistim, head juga akan naik. Hal ini pada gilirannya akan menyebabkan debit aliran berkurang dan akhirnya mencapai nol. Debit aliran nol hanya dapat diterima untuk jangka pendek tanpa menyebabkan pompa terbakar. H,(m) Q,(m3/t) Gambar 2.3 Kurva Kinerja Pompa Titik Operasi Pompa Debit aliran pada head tertentu disebut titik tugas. Kurva kinerja pompa terbuat dari banyak titik-titik tugas. Titik operasi pompa ditentukan oleh perpotongan kurva sistim dengan kurva pompa sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 2.3. Aliran Q, (m3/t) Gambar 2.4. Titik Operasi Pompa 4

5 2.2.4 Kinerja Hisapan Pompa ( Net Positive Suction Head, NPSH) Kavitasi atau penguapan adalah pembentukan gelembung dibagian dalam pompa. Hal ini dapat terjadi manakala tekanan statik fluida setempat menjadi lebih rendah dari tekanan uap cairan (pada suhu sebenarnya). Kemungkinan penyebabnya adalah jika fluida semakin cepat dalam kran pengendali atau disekitar impeler pompa. Penguapan itu sendiri tidak menyebabkan kerusakan. Walau demikian, bila kecepatan berkurang dan tekanan bertambah, uap akan menguap dan jatuh. Hal ini memiliki tiga pengaruh yang tidak dikehendaki, yaitu: - Erosi permukaan sudu-sudu pompa terutama jika memompa cairan berbasis air. - Meningkatnya kebisingan dan getaran yang mengakibatkan umur seal dan bearing pompa menjadi lebih pendek. - Menyumbat sebagian lintasan impeller yang berakibat menurunnya kinerja pompa dan bahkan menghilangkan head total. Head Hisapan Positif Netto Tersedia / Net Positive Suction Head Available (NPSHA) menandakan jumlah hisapan pompa yang melebihi tekanan uap cairan, dan merupakan karakteristik rancangan sistem pemompaan. NPSH yang diperlukan atau Net Positive Suction Head Required (NPSHR) adalah hisapan pompa yang diperlukan untuk menghindari kavitasi, dan merupakan karakteristik rancangan pompa. 5

6 2.3 Jenis jenis Pompa Pompa hadir dalam berbagai ukuran untuk penggunaan yang luas. Pompapompa dapat digolongkan menurut prinsip operasi dasarnyaseperti pompa dinamik atau pompa pemindahan positif. Gambar 2.5. Klasifikasi jenis pompa. Pada prinsipnya, cairan apapun dapat ditangani oleh berbagai rancangan pompa. Jika berbagai rancangan pompa digunakan, pompa sentrifugal biasanya yang paling ekonomis diikuti oleh pompa rotary dan reciprocating. Walaupun, pompa perpindahan positif biasanya lebih efisien daripada pompa sentrifugal, namun keuntungan efisiensi yang lebih tinggi cenderung diimbangi dengan meningkatnya biaya perawatan. 6

7 2.4 Water Ejector (Jet Pump). Komponen utama dari ejektor adalah NOZZLE dimana arus fluida mengecil; DIFFUSER yang membesar secara perlahan dan ditempatkan didekat mulut NOZZLE dalam ruang-isap. Karena kecepatan arus yang meninggalkan mulut NOZZLE bertambah besar maka tekanan dalam arus akan turun, demikian pula didalam ruang isap. Pada DIFFUSER kecepatan berkurang sehingga tekanan naik kira-kira mendekati tekanan atmosfer ( apabila fluida yang dibuang menuju atmosfer). Akibat kejadian tersebut maka tekanan dalam ruang isap juga menurun dibawah tekanan atmosfer, yang berarti: TERBENTUK SEBAGIAN VAKUM ( PARTIAL VACUUM ) yang menyebabkan zat cair dari bejana-bawah tersedot naik kedalam ruang-isap lewat pipa dan terjebak oleh arus fluida yang menyemprot dari mulut NOZZLE. Gambar 2.6. Model ejektor 7

8 Gambar 2.7. Klasifikasi Vacuum Pumps 2. 5 Sistem Desalinasi Desalinasi adalah proses penghilangan sebagian besar unsur garam dari air laut sehingga berubah menjadi air tawar. Air laut digunakan sebagai pendingin di kondensor dan alat bantu serta digunakan sebagai make up water untuk keperluan penambahan air ke HRSG. Air laut dipompakan dari basin sedimentasi oleh sea water feed pump (SWFP) ke sistem desalinasi. Pada sistem desalinasi air laut dipanaskan oleh steam sehingga terjadi penguapan. Uap yang dihasilkan selanjutnya didinginkan sehingga terjadi 8

9 kondensasi dan kondensat ini disebut air tawar. Proses destilasi ini diharapkan dapat menghasilkan air tawar dengan conductivity < 18µS/cm. Gambar 2.8 Diagram desalinasi Air laut dipompakan ke Unit Desal masuk kedalam tube-tube evaporator mulai dari stage 13, mengkondensasikan uap yang dihasilkan dalam tiap stage, sementara air laut tersebut dipanaskan oleh panas laten dari uap pemanas dalam Brine Heater. Air laut kemudian masuk ke ruang penguap pertama (First stage flash chamber), sebagaian air laut menguap karena telah dicapai tekanan dan temperatur saturasinya dan sebagian meneruskan ke ruang berikutnya sampai ke ruang terakhir (Last stage flash chamber), atau disirkulasikan lagi. Dengan adanya proses venting maka temperatur penguapan air dapat dicapai pada tekanan lebih kecil dari 1 atm dan temperatur lebih rendah dari o C. Pada stage terakhir yang ke 13, nilai vakumnya adalah yang paling kecil karena temperatur brinenya juga yang paling rendah. Sebagian air laut digunakan sebagai air 9

10 pendingin ke ejektor kondensor untuk mengkondensasikan steam yang telah mengalami pelepasan kalor pada brine heater. Uap air laut dalam flash chamber akan naik ke bagian atas tiap stage tersaring oleh demister dan terkondensasi, kemudian tertampung dalam tray distilate, mengalir ke destilat box untuk dialirkan ke raw water tank melalui distilate water pump. Sistem venting terdiri atas ejektor dan kondenser, yang menjaga vakum dalam eveporator untuk menghilangkan non condensible gasses (NCG) seperti CO 2 dan untuk mempercepat penguapan brine pada temperatur <100.5 o C, serta mengurangi akumulasi uap dalam evaporator. Uap pemanas yang masuk ke Brine Heater diambil dari auxiliary steam dengan tekanan bar, temperatur o C dan flow rate ±3.156 kg/jam. Panas yang diberikan kedalam Brine Heater dikontrol oleh spray desuperheater yang diambil dari jalur kondensat setelah condensate cooler. Uap yang terkondensasi pada hotwell brine heater dikembalikan ke sistem, bila kualitasnya memenuhi syarat dengan koduktivitas <15 µs/cm Performa Sistem Desalinasi. Performa dari Desal dapat dilihat dari gain/ratio antara air distilat dan air kondensat, sedangkan kualitasnya dapat dilihat dari total disolve solid (TDS) atau conductivity air distilat. 10

11 - Product purity (ppm TDS) kurang dari 10 - Performance ratio (kg detilate/kg steam) Desain = 6.6 Operasional = 6.0 Performa di atas dapat dicapai dengan kondisi sebagai berikut: - Temperatur air laut masuk ( o C) 30 - Tekanan air (bar abs.) Flow rate air laut (kg/jam) 240,000 - Total dissolved air laut (ppm) Temperatur brine ( o C) pertama Tekanan steam (bar abs.) Temperatur steam ( o C) Data Desain Unit Desalinasi. Data spesifikasi desalination plant PLTGU Sektor Belawan: Spesifikasi Unit Item 01 GCG 41 AC 001 Kode Maker Standard Kapasitas 500 Ton/hari Desain Pressure Test Pressure : Shell Tube : Shell Tube 1 & -1 BarG 6 BarG 1,5 BarG 9 BarG Year Built

12 Job No Sasakura Engineering Co.,LTD Osaka Japan Dari desain desal diketahui performa unit desal adalah sebagai berikut: Unjuk Kerja Jumlah Beban Operasi (Load Setter) 100 % Sea Water Flow 200 ton/jam Steam Pressure 6 Bar (min 4,2 Bar) Steam Temperature C Steam Temp. Brine Heater In C Brine Heater Pressure 0,5 Bar Brine Out Temperature C Distillate Flow 20 ton/jam Condensate Flow 2,8 ton/jam Steam Flow 3,2 ton/jam Water Inlet Temperature C Sementara dari keadaan dilapangan diperoleh data performa sebagai berikut: Unjuk Kerja Jumlah Beban Operasi (Load Setter) 80 % Sea Water Flow 140 ton/jam 12

13 Steam Pressure 5,5 BarG (min 4,2 Bar) Steam Temperature C Steam Temp. Brine Heater In >150 0 C Brine Heater Pressure 1.5 Bar Brine Out Temperature >110 0 C Distillate Flow 13 ton/jam Condensate Flow 2,6 ton/jam Steam Flow 3,8 ton/jam Water Inlet Temperature C Untuk data pompa injeksi kimia desalination plant sendiri diperoleh spesifikasi unit sebagai berikut: Spesifikasi Unit Merk Rate Output Rate Voltage Rate Frequency Rate Current Rate Speed Type Form Frame number Thermal Class Toshiba 3 phase induction motor 0.2 kw, 4 poles 380 V 50 Hz 0.6 Amp 1390/min IK CKLKW8 63 M E 13

14 Rating Protection Cooling Method S1 IP44 IC Perhitungan Produksi Air Desalinasi Produksi air destilate tiap desalination plant dihitung dari kondisi operasi dengan menggunakan persamaan sebagai berikut ; Wbr x Tmax - Tr Wdc = Wbr' Tmax' - Tr' x Wd'... (1) Dimana : Wbr Wbr = Pengukuran aliran rata-rata air laut (Kg/jam) = Design aliran rata-rata air laut (Kg/jam) Tmax = Hasil pengukuran tempratur maximum brine ( o C) Tmax = Design tempratur maximum brine ( o C) Tr = Hasil pengukuran tempratur brine tingkat akhir ( o C) Tr = Design tempratur brine tingkat akhir ( o C) Wd Wd = Kalkulasi aliran rata-rata destilate (m 3 /jam) = Design aliran rata-rata destilate (m 3 /jam) Dengan mengacu pada persamaan (1) maka, Wbr Tmax - Tr Wdc = x x

15 Wdc = x Wbr x (Tmax Tr)...(1*) Perhitungan produksi air destilate dengan cara perhitungan lain yaitu dengan melihat countr flow (Wd) mengalami fluktuasi sebesar ± 3% dari kalkulasi aliran rata-rata, maka : Wd Wdc = 1.0 ± 0.03 Dimana Wd adalah pengukuran produksi air destilate oleh counter flow (ton/jam), perhitungan lain dapat menggunakan persamaan di bawah ini : Wdc = 2 Cpbm (Tmax - Tr ) 2 Lm + Cpbm (Tmax - Tr) x Wbr x Rbr Rd...(2) Dimana ; Cpbm = Kalor spesifik air laut pada tempratur (kcal/kg), (Tmax Tr) /2 Lm = Panas Laten air laut pada tempratur (kcal/kg), (Tmax Tr) /2 Rd = Kerapatan (destinity) air destilate (Kg/m 3 ) Rbr = Kerapatan (destinity) air laut (Kg/m 3 ) Wdc = Perhitungan air destilate (Kg/jam) Pembentukan Kerak (Scalling). Ketika air laut dipanasi, menguap dan terkonsentrasi, beberapa komponen yang larut cenderung mengendap dan membentuk scale (kerak). Kerak ini 15

16 diklasifikasikan menjadi dua group, yaitu hard scale (kerak keras) dan soft scale (kerak lunak). Kerak keras adalah non-alkaline scale misalnya Calcium Sulphate (CaSO 4 ) sedang kerak lunak adalah alkaline scale misalnya : Calcium Carbonate (CaCO 3 ) dan Magnesium Hydroxide (Mg(OH) 2 ). Pengerakan yang terjadi pada tube-tube evaporator dan pada brine heater dapat mengakibatkan: Pengurangan diameter tube. Penurunan efisiensi perpindahan panas dari steam ke fluida di dalam tube. Penurunan produksi distilat. Tercemarnya produksi distilat. Konsumsi steam yang lebih besar dari operasi normalnya. Gambar 2.9 Contoh pengerakan yang terjadi pada tube brine heater. 16

17 2. 6 Pencegahan Kerak Injeksi Bahan Kimia. Pada sistem Desalination Plant, untuk mencegah terjadinya kerak diinjeksikan bahan kimia yaitu anti scale pada sisi masuk air laut ke tube-tube condenser. Penginjeksian bahan kimia ini pada sisi air laut yang masih rendah temperaturnya, agar calsium yang terkandung belum sempat menjadi kerak karena panas. Lihat titik peninjeksian bahan kimia pada flow diagram desalination Plant. Gambar 3.0 Jalur Injeksi kimia anti-scalant dan anti-foam dengan pompa. 17

18 Pada Desalination plant ini dilengkapi dengan sistem injeksi kimia untuk pengolahan air laut. Sistem pengolahan ini terdiri dari satu Chemical tank (tangki kimia) dengan sebuah agitator (pengaduk), chemical injection pump, pemipaan, instrumentasi dan kontrol. Kapasitas kerja tangki dipasok dengan service water dihubungkan ke bagian atas tangki. Bahan kimia yang dipasok dalam drum dimasukkan kedalam tangki juga lewat lubang diatas tangki. Agitator yang digerakan oleh motor listrik akan melarutkan bahan kimia kedalam air. Larutan ini kemudian ditarik dan diinjeksikan oleh chemical injection pump ke jalur air laut. Besarnya aliran larutan secara otomatis dikontrol pada pompa dengan menggunakan stroke controller yang mana sinyal dari air laut yang ditransfer lewat Ratio setting Station di ruang kontrol. 18

19 Gambar 3.1 Tangki dan pompa injeksi kimia pada unit desal. Kedua bahan kimia yang dipergunakan dilarutkan didalam dua tangki terpisah : 1. Anti Scale Chemical ( Kimia Anti Kerak). Bahan kimia anti kerak ini digunakan untuk menghalangi deposit kerak dalam tube-tube pemindah kalor pada brine heater dan evaporator. Dengan parameter disain berikut: - Konsentrasi larutan 20% - Laju injeksi (beban operasi 100%) 2.76 liter/jam - Penurunan level tangki normal 101 mm/hari/unit Dosis yang tidak cukup akan menyebabkan bangkitnya alkaline scale didalam tube-tube brine heater dan bagian evaporator pada tiap stage, yang mengakibatkan menurunnya performance ratio. 2. Anti Foam Agent. Bahan anti busa ini digunakan untuk mengurangi pembusaan air laut ketika berada dalam Flash Evaporator Chamber. Pengendalian pembusaan ini menjamin tidak adanya brine carry-over yaitu naiknya permukaan air laut yang tidak terkondensasi pada water box yang dapat mencemari produk air distilat. - Konsentrasi larutan 0.5 % - Laju injeksi (beban operasi 100 %) 3.68 liter/jam 19

20 - Penurunan level tangki normal 135 mm/hari/unit Dosis yang tidak cukup akan menyebabkan pembusaan didalam flash chamber (water box) dan produk air distilat pada destilate box dapat terkontaminasi (tercemar). 20