Soip Jawaban [PDF]

Citation preview

Soal-jawab Satuan Operasi Industri Pangan I 1. Batas air di dalam tangki 14 ft di atas pipa pengeluaran dan tangki berada pada tekanan atmosfir serta pipa pengeluaran berada lepas ke udara. Diameter pipa pengeluaran 0,5 inci. Tentukan : Laju alir volumetrik air yang keluar dari pipa pengeluaran dalam satuan gallon/jam. Jawab : Luas permukaan pipa berdiameter 0,5 inci : A = [D2/4] = [3,14 (0,5/12)2]/4 = 1,36 x 10-3 ft2 Laju alir air yang keluar : v = √2gcH = (2 x 32,2 x 14)0,5 = 30 ft/detik Laju alir volumetrik air : qv = v x A = (30 x 1,36 x 10-3) x 3600 cuft/jam =



gal/jam



2. Air susu dialirkan ke dalam sentrifugasi melalui pipa berdiameter 2 inci dengan laju alir linier sebesar 40 ft/menit. Air susu tersebut di dalam sentrifuge dipisahkan menjadi krim dan skim dengan kerapatan masing-masing bahan yang keluar adalah 1,01 lb/cuft dan 1,04 lb/cuft. Tentukan laju alir air susu dan krim bila melalui pipa yang mengecil dengan diameter pipa ¾ inci dan kerapatan air susu 1,035 lb/cuft. Jawab : Neraca Bahan Total : A1V1 = A2V2 + A3V3 V2 = [(A1V1 – A3V3)/A2] ...................... (1) A1V11 = A2V22 + A3V33 ....................... (2) A1V11 = A2[(A1V1 – A3V3)/A2]2 + A3V33 A1V11 = A1V12 – A3V32 + A3V33 A1V1(1 - 2) = A3V3(3 - 2) ............................. (3) Data : A1 = [D2/4] = [3,14(2/12)2]/4 = 2,2 x 10-2 ft2 A2 = A3 = [D2/4] =[3,14(0,75/12)2]/4 = 3,1 x 10-3 ft2 V1 = 40 ft/menit Dari persamaan (3) :



A1V1(1 - 2) = A3V3(3 - 2) (2,2 x 10-2) 40 (1,035 – 1,04) = (3,1 x 10-3) V3 (1,01 – 1,04) V3 = ....... ft/menit V2 = [(A1V1 – A3V3)/A2] = ....... ft/menit 3. Minyak zaitun dengan spesifik gravity 0,92 mengalir di dalam pipa yang berdiameter 2 cm. Apabila terjadi pengecilan diameter pipa menjadi 1,2 cm dan jika perbedaan tekanan kedua bagian pipa 8 cm air. Tentukan laju alir minyak zaitun tersebut. Jawab :  = 2 cm



 = 1,2 cm



[A1/A2] = [D1/D2]2 = [2/1,2]2 Head yang terukur =8 cm air Maka perbedaan tekanan (p) =  H P1 – P2 = 1 x 8 = 8 g/cm2 P1 – P2 = [(1V12 (A12/A22) – 1)]/2 8 = [(1V12 (22/1,22) – 1)]/2 ...................... (1) Kerapatan minyak zaitun : Spgr = minyak zaitun/air minyak zaitun = spgr x air = 0,92 x 1 = 0,92 g/cm3 Memasukkan nilai kerapatan minyak ke dalam persamaan (1) diperoleh laju alir minyak zaitun : V1 =



cm/detik



4. Diketahui : Kerapatan (air) pada suhu 20C = 998,23 kg/m3 Viskositas (µair) pada suhu 20C = 1,005 x 10-3 kg/m detik Kerapatan karbon tetra klorida (CCl4) = 625,85 kg/m3 Viskositas karbon tetra klorida = 0,56 x 10-3 kg/m detik Tinggi kolom karbon tetra klorida (h) = 78 mm = 0,078 m Gravitasi bumi = 9,80 m/detik2 Diameter pipa = 102,3 mm = 0,1023 m



Koefisien orifice = 0,98 Ditanya : a. Laju alir linier maksimum dan laju alir linier rata-rata b. Laju alir volumetrik air Jawab : Penurunan tekanan (p) sebesar : p = h (CCl4 - air) g = 0,078 (625,85 – 998,23) 9,80 = -284,65 Pa Tanda negative menunjukkan terjadinya penurunan tekanan. Laju alir air maksumum (Vmaks) : 2 x ( p )



Vmaks = CO



 CCl



= 0,98



4



2x284,65 = 0,94 m/detik 625,85



Tentukan besarnya bilangan Reynold untuk menentukan Vrata-rata dengan menggunakan monograf hubungan antara bilangan Reynold versus Vratarata/Vmaks.



N Re =



Dv







=



0,1023 x0,94 x625,85 = 107 ,45 x10 4 −3 0,56 x10



Menggunakan monograf : [Vrata-rata/Vmaks] = 0,81 Vrata-rata = Vmaks x 0,81 = 0,94 x 0,81 = 0,7614 m/detik Luas penampang pipa (A) = [D2/4] = [3,14 x (0,1023)2]/4 = 0,0082 m2 Laju alir volumetrik air (qv) = V x A = 0,7614 x 0,0082 = 0,0062 m3/detik. 5. Air jeruk dialirkan dari satu tangki ke evaporator melalui sistem perpipaan seperti pada gambar di bawah ini : Laju alir volumetrik air jeruk adalah 500 liter/jam, kerapatan air jeruk 1,05 g/ml dan viskositas air jeruk sebesar 0,89 cm-poise yang diukur pada suhu 25C. Panjang pipa lurus yang berdiameter 3 inci SN 80 adalah 1 m dan pipa lurus berdiameter 2 inci SN 80 adalah 20 m. Pipa yang digunakan jenis stainless steel untuk proses di atas. Tentukan : a. Tekanan pompa b. Daya pompa jika efisiensi pemompaan 70%.



Long elbow 90 P = 0,8 atm 5 m = 16,4 ft



Long elbow 90 Globe valve (wide open) Check valve (swing)



Long elbow 90 Pipa 2”SN 80



P = 1 atm



Globe valve (Half open) Pipa 3”SN 80 Jawab : Laju alir volumetrik (Qv) = 500 liter/jam = 17,66 cuft/jam = 0,005 cuft/detik. Kerapatan air jeruk (air jeruk) = 1,05 g/ml = 65,52 lb/cuft Viskositas air jeruk (µair jeruk) = 0,89 cm-poise = 0,0089 g/cm dt = 0,00108 lb/ft detik Panjang pipa lurus (L) berdiameter nominal 3”SN 80 = 1 m = 3,28 ft Panjang pipa lurus (L) berdiameter nominal 2”SN 80 = 20 m = 65,60 ft Luas permukaan pipa berdimeter nominal 3”SN 80 dan 2” SN 80 ditentukan melalui app. A5 buku Geankoplis Pipa 3”SN 80 → A1 = 3,016 sqin = 0,02094 sqft → A = [ D2/4] Pipa 2”SN 80 → A2 = 1,477 sqin = 0,01026 sqft Laju alir linier air jeruk yang mengalir di dalam pipa berdiameter 3”SN 80 (v1) dan mengalir di dalam pipa berdiameter 2”SN 80 (v2) masing-masing adalah :



v1 = [Qv/A1] = [0,005/0,02094] = 0,239 ft/detik v2 = [Qv/A2] = [0,005/0,01026] = 0,487 ft/detik Bilangan Reynold air jeruk yang mengalir di dalam masing-masing pipa : N Re =



D3"SN 80v1 65,52 x 0,242 x 0,239 = = 3508 ,839  airjeruk 0,00108



N RE =



D2"SN 80 xv 2 65,52 x0,162 x 0,487 = = 4786 ,236  airjeruk 0,00108



Menentukan faktor gesekan (f) dengan menggunakan grafik, dicari hubungan antara kekasaran relative/diameter pipa (/D) terhadap NRe. (/D)1 = 0,00060 → f1 = 0,0430 (/D)2 = 0,00085 → f2 = 0,0401 Menentukan panjang pipa ekivalen dari monograf dan menghitung faktor Fanning Pada pipa 3” SN 80 terdapat : 1 Globe valve (half open) Pangjang pipa 3” SN 80 Panjang ekivalen



= 114,95 ft = 3,28 ft = 118,23 ft



Pada pipa 2” SN 80 terdapat : 1 Globe valve (wide open) 1 check valve (swing) 3 long elbow 90 Panjang pipa 2” SN 80 Panjang ekivalen



= 48,60 ft = 14,00 ft = 17,01 ft = 65,60 ft = 147,41 ft



Besarnya kehilangan energy karena gesekan pada pipa berdiameter 3” SN 80 dan 2” SN 80, masing-masing adalah :



L v 2 F =4f x D 2 gc



F1 = 4(0,0430 )



118,23 (0,239 ) 2 x = 0,0745 0,242 2(32,2)



F2 = 4(0,0401)



147 ,41 (0,487 ) 2 x = 0,5375 0,162 2(32,2)



Menggunakan persamaan neraca energy mekanik untuk menentukan tekanan pompa :



z1 +



v12 P v2 P + 1 + F + Ws = z 2 + 2 + 2 2 gc  2 gc 



( P − P2 ) v 2 ( z1 − z 2 ) + + 1 + F = Ws 2 gc  16,4 +



(0,244 ) 2 (0,2)(14,7) + + 0,5892 = Ws 2(32,2) 144 (65,52)



WS = 16,401 larutan air jeruk Tekanan pompa = Ws x  = 16,401 x 65,52 = 1074,59 lb/sqft = 7,46 lb/sqin Daya pompa = [P x Qv]/550 = [1074,59 x 0,005]/550 = 0,01 hp Efisiensi 70% Daya teoritis = [100/70] x 0,01 = 0,0143 hp 6. Diketahui : Di1 = 3,068 in = [3,068/39,37] = 0,078 m Di2 = 2,067 in = [2,067/39,37] = 0,053 m  = 902 kg/m3 µ = 2,3 cp = 2,3 x 10-3 kg/m detik Qv = 1,52 x 10-3 m3/detik Tentukan : Laju alir linier cairan yang masuk dan keluar melalui pipa dan profil alirannya Jawab : A1 = [ D2/4] = [3,14 (0,078)2]/4 = 0,005 m2 A2 = [ D2/4] = [3,14 (0,053)2]/4 = 0,002 m2 Laju alir linier cairan : Qv = v1 x A1 → v1 = [Qv/A1] = [1,52 x 10-3/0,005] = 0,304 m/detik Qv = v2 x A2 → v2 = [Qv/A2] = [1,52 x 10-3/0,002] = 0,760 m/detik atau : v1 A1 = v2 A2 → v2 = [v1 A1/A2] = 0,760 m/detik Laju alir massa cairan tersebut : Qm = Qv x  = 1,52 x 10-3 x 902 = 1,37 kg/detik Laju alir massa cairan yang keluar per satuan luas penampang pipa : G = [m2/A2] = [1,37/0,002] = 685 kg/m2 detik Profil aliran pada kedua diameter pipa masing-masing adalah : NRe = [(v x D x /µ)] =[(0,304 x 0,078 x 902)/2,3 x 10-3] = 9299,23 NRe = [(v x D x /µ)] =[(0,760 x 0,053 x 902)/2,3 x 10-3] = 15796,77 Profil aliran : turbulen.



7. Minyak goreng dipompakan melalui pipa yang memiliki diameter dalam (Di) = 10 mm dengan profil aliran yang ditunjukkan NRe = 2.100. Kerapatan minyak (𝝆m) = 855 kg/m3 dan viskositas minyak (𝜇m) = 2,1 x 10-2 Pa.s Tentukan : a. Laju alir linier (𝑣m) minyak yang mengalir di dalam pipa. b. Menggunakan NRe yang sama dan laju alir linier yang dihasilkan pada pertanyaan (a) dan fluida memiliki kerapatan (𝝆) = 925 kg/m3 serta viskositas (𝜇) = 1,5 x 10-2 Pa.s, berapa ukuran diameter pipa yang digunakan ?. Jawab : (Di) = 10 mm = 0,01 m ; NRe = 2.100. Kerapatan minyak (𝝆m) = 855 kg/m3 Viskositas minyak (𝜇m) = 2,1 x 10-2 Pa.s = 2,1 x 10-2 kg/m.s a. NRe = [(Di 𝑣m 𝝆m)/ 𝜇m] = [(0,01. 𝑣m . 855)/ 2,1 x 10-2] 2.100 = [(0,01. 𝑣m . 855)/ 2,1 x 10-2] 𝑣m = 5,16 m/s b. 2.100 = [(Di . 5,16 . 925)/1,5 x 10-2] Di = 0,0066 m = 6,60 mm 8. Cairan hidrokarbon masuk ke dalam sistem perpipaan dengan laju alir linier ratarata (𝑣1) = 1,282 m/s, luas permukaan pipa (A1) = 4,33 x 10-3 m2 dan kerapatan cairan hidrokarbon (𝝆hidro) = 902 kg/m3. Cairan hidrokarbon dipanaskan dan keluar dengan kerapatan (𝝆hidro) = 875 kg/m3 dan luas permukaan pipa pengeluaran (A2) = 5,26 x 10-3 m2. Proses pada keadaan tunak, tentukan : a. Laju alir massa (m) cairan yang masuk dan keluar pada sistem perpipaan ? b. Laju alir linier rata-rata pada pipa pengeluaran dan laju alir massa cairan hidrokarbon pada luas permukaan pipa pemasukkan ? Jawab : Laju alir volumetrik cairan yang masuk pada pipa pemasukkan : Qv = A . v = 4,33 x 10-3 m2 x 1,282 m/s Qv = 5,5511 x 10-3 m3/s a. Laju alir massa cairan hidrokarbon yang masuk pada pipa pemasukkan : Qm = Qv x 𝝆 = 5,5511 x 10-3 m3 x 902 kg/m3 Qm = 5,007 kg/s b. Qm1 = Qm2



v2 = [(m2/A2 . 𝝆2)] = [(5,007)/(5,26 . 10-3 x 875)] v2 = 1,088 ms G1 = v1 x 𝝆1 = [Qm1/A1] = [5,077/ 4,33 x 10-3] G1 = 1156,35 kg/m2s 9. Suatu cairan memiliki kerapatan sebesar 801 kg/m3 dan viskositas sebesar 1,49.10−3 Pa.s, mengalir di dalam pipa lurus yang pasang horizontal. Laju alir linier cairan yang mengalir di dalam pipa adalah 4,57 m/detik dan pipa yang digunakan adalah jenis commercial steel dengan diameter nominal 1,5 in SN 40 serta panjang pipa lurus 61 meter. Tentukan : a. Kehilangan energi karena gesekan (Ff) sepanjang pipa tersebut. b. Jika pipa yang digunakan untuk mengalirkan cairan tersebut permukaannya sangat halus (smooth) dengan diameter pipa yang sama, tentukan kehilangan energi (Ff) karena gesekan. Cairan di atas kemudian dicampur dengan cairan lainnya sehingga campuran cairan mempunyai kerapatan sebesar 856 kg/m3 dan viskositas cairan adalah sebesar 0,015 kg/m.s. Pencampuran dilakukan di dalam tangki yang mempunyai diameter sebesar 1,75 m yang dilengkapi dengan 4 baffles dan pengaduk yang digunakan open turbine dengan 6 blades dan diameternya adalah 0,70 m dan W = 0,0875 m. Masing-masing baffle memiliki lebar (J) adalah 0,145833 m. Turbine berputar pada sumbunya pada kecepatan 150 rpm. Tentukan : Daya yang diperlukan untuk pencampuran cairan tersebut. Jawab : Ukuran pipa yang digunakan : Diameter nominal () = 1,5 in SN 40 Menggunakan app. A.5 : Properties of pipes, tubes and screens dapat ditentukan: Diameter dalam (ID) pipa = 1,610 in = [1,610/39,37] = 0,040894 m Diameter luar (OD) pipa = 1,900 in = [1,900/39,37] = 0,04826 m Luas permukaan (A) pipa = 13,13.10−4 m2 Persamaan energi mekanik : (V22 − V12 ) ( P2 − P1 ) + + g ( Z 2 − Z 1 ) + F + W s = 0 2  Pipa yang digunakan untuk mengalirkan cairan memiliki diameter yang sama, tekanan pada pipa pemasukan dan pengeluaran pada tekanan atmosfir, tidak ada perbedaan tinggi permukaan pipa pemasukan dan pengeluaran cairan dan tidak ada pemompaan, maka : (V22 −V12 ) = 0 karena V2 = V1 ; P2 – P1 = 0 karena P2 = P1 ; Z2 – Z1 = 0 karena Z2 = Z1 dan Ws = 0 karena tidak ada pemompaan.



Kehilangan energi (Ff) karena gesekan pada pipa lurus dengan panjang 61 m, ditentukan dengan persamaan : L V 2 Ff = 4 f ( J / kg ) Di 2 Tentukan hubungan NRe terhadap [/D] untuk jenis pipa commercial steel dalam penentuan Fanning friction factor (f) :



 Di



=



4,6 x10 −5 = 0,001125 0,040894



N Re =



D. .V







=



0,040894 x810 x 4,57 = 101 .595,5 1,49 x10 −3



Menggunakan grafik 2.10-3 hubungan antara NRe terhadap [/D] maka di peroleh Fanning friction factor (f) yaitu = 0,0065 sehingga : a. Kehilangan energi karena gesekan :



F f = 4 x0,0065 x



61 4,57 2 x = 404,9916 J / kg 0,040894 2



b. Jika permukaan pipa halus (smooth), maka Fanning friction factor dengan NRe yang sama adalah : f = 0,0037 maka : 61 4,57 2 F f = 4 x0037 x x = 230,5337 J / kg 0,040894 2 Reduksi friction loss sekitar = 43,08% Penentuan daya yang diperlukan pada pengadukan, ditentukan terlebih dahulu bilangan Reynold pengadukan : N = 150 rpm = [150/60] = 2,5 rps Da = 0,70 m ' N Re =



Da2 xNx



=



(0,70) 2 x 2,5 x856 = 69.906,67 0,015



 Selanjutnya ditentukan nilai Da/W dan Dt/J untuk memilih kurva pengadukan yang akan digunakan dalam menentukan bilangan daya (NP) : Da/W = 0,70/0,0875 = 8 dan Dt/J = 1,75/0,145833 = 12 Perhitungan Da/W dan Dt/J dan turbine yang digunakan 6 blades serta tangki dipasang 4 baffles maka digunakan kurva 3 pada grafik 3.4-4 untuk menentukan Np (number power) : Dari grafik dengan NRe = 69.906,67 maka diperoleh Np = 1,8 Daya (P) yang diperlukan untuk pengadukan : P = N p xxN 3 xDa5 = 1,8 x856 x 2,53 x0,70 5 = 4046 ,285 j / s P = 4,0463 kW = 5,43 hp



Soal-soal latihan dan dikumpulkan 1 minggu kemudian 1. Suatu pompa dengan head (TPH) sebesar 120 ft air pada suhu 70oF mengalirkan minyak makan melalui pipa 5 in SN 40. Laju alir minyak dalam pipa tersebut adalah 5 gallon/detik dan suhu minyak 70 oF. Hitung : Daya pompa sebenarnya jika efisiensi keseluruhan adalah 65%. 2. Suatu larutan dalam tangki yang ditempatkan lebih rendah dipompakan ke tangki yang letaknya lebih tinggi. Jarak tinggi larutan diperkirakan tetap sama yaitu 50 ft. Spesifik graviti larutan 1,25. Head gesekan F = 7,5 ft-lbf/lbm. Hitung : hp teoritis dari pompa tersebut. Pipa hisap berukuran 3 in SN 40, pipa keluar pompa berukuran 2 in SN 40 dan kecepatan alir hisap larutan oleh pompa adalah 3 ft/detik. 3. Hitung laju alir volumetrik minyak yang diukur dengan orifice berdimater 5/8 inci. Saluran dari tangki yang mengalirkan minyak tersebut berdiameter 4 kali lebih besar dari pada diameter orifice. Spesifik graviti minyak adalah 0,85 dan viskositasnya 11 cp. Beda tekanan diukur dengan manometer Hg dengan pembacaan 9 inci jarak antara muka pada kedua kaki manometer U.