Fluida adalah zat yang dapat mengalami perubahan bentuk secara kontinu bila terkena tegangan geser walaupun relatif kecil. Gaya geser adalah komponen
gaya yang menyinggung permukaan dan jika dibagi dengan luas permukaan
tersebut menjadi tegangan geser rata-rata pada permukaan itu.
Transportasi fluida dalam teknik kimia
jauh lebih mudah daripada padatan. Karena itu ahli teknik kimia berupaya
sedapat mungkin untuk dapat melakukan transportasi bahan dalam bentuk
cairan, larutan atau suspensinya. Bila hal itu tidak mungkin barulah
mereka melakukan pengangkutan bahan padat dalam bentuk padat. Walaupun
begitu masih diusahakan cara tambahan untuk memudahkan pengangkutan,
misalnya menghaluskan padatan lalu diangkut dengan aliran gas atau
cairan seperti operasi fluidisasi.
Hidrodinamika yang menjadi dasar aliran fluida dalam Operasi Teknik Kimia, dibagi menjadi tiga pokok bahasan :
a.yang
berhubungan dengan aliran fluida dalam saluran sehingga aliran terarah
mengikuti bentuk saluran (internal flow), misalnya : pemompaan cairan,
kompresi gas dan aliran fluida dalam kanal terbuka.
b.Yang membahas
masalah aliran fluida lewat di sekitar benda padat (eksternal flow),
misalnya : sedimentasi dan pemisahan dengan sentrifugasi dan
pencampuran.
c.Masalah campuran dari kedua hal diatas, seperti fluidisasi dan aliran dua fase gas-cair.
Selama fluida bergerak, harus selalu ada
gaya geser yang bekerja terhadap fluida. Hal ini dilakukan dengan
penambahan energi dari luar. Tanpa penambahan energi dari luar, aliran
fluida akan terhenti. Jumlah energi yang diperlukan untuk
mempertahankan aliran ini dianggap sebagai energi yang hilang, karena
tidak dapat diambil sebagai energi yang bermanfaat. Dalam aliran fluida
di dalam saluran, energi yang hilang disebut Head loss.
Pada dasarnya faktor-faktor yang mempengaruhi aliran fluida adalah yang menyangkut dengan sifat fisik dari fluida yang dapat didefinisikan pada :
a. tekanan
b. temperatur
c. densitas
d. viskositas
Transformasi dalam sistem perpipaan yang kompleks akan mengikuti hukum kekekalan energi.
Viskositas Fluida
Fluida adalah benda yang dapat mengalami perubahan bentuk secara terus menerus karena gaya gesek yang bekerja terhadapnya. Sifat yang erat hubungannya dengan definisi ini adalah viskositas. Harga viskositas fluida mungkin dipengaruhi oleh besar dan lama aksi gaya yang bekerja terhadapnya.
Viskositas fluida juga dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur.
Densitas Fluida
Disamping viskositas, sifat fluida yang
penting lainnya adalah densitas (masa persatuan volume). Seperti
viskositas, karakteristik gas dan cairan dalam sifat densitas ini
bebeda satu dengan lainnya. Densitas gas sangat dipengaruhi
oleh tekanan dan temperaturnya, karena itu gas juga disebut fluida
termampatkan (compressible fluid). Hubungan antara densitas
dengan tekanan dan temperatur gas banyak dibahas dalam bidang
termodinamika, misalnya Hukum Gas Ideal dan persamaan Van Der Waals.
Densitas cairan sedikit sekali
dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur, karena itu cairan disebut juga
fluida tak termampatkan (incompressible fluid). Bedasarkan sifat kemampatan ini, aliran fluida dibagi menjadi dua, yaitu aliran fluida termampatkan dan tak termampatkan. Seringkali
bila perubahan temperatur dan tekanan relatif kecil, permasalahan
aliran gas diselesaikan dengan cara untuk fluida tak termampatkan.
Neraca Massa
Fluida dinamik adalah fluida bergerak. Umunya fluida bergerak dari satu tempat ke tempat yang lain dengan suatu alat mekanik seperti pompa atau blower, oleh perbedaan gravitasi, atau dengan tekanan, dan mengalir melalui sistem perpipaan atau alat proses.
Neraca Energi mekanik keseluruhan
Suatu tipe neraca energi sangat berguna
bagi fluida mengalir dan didapatkan neraca energi total dengan perlakuan
seperti energi mekanis. Para insinyur teknik sering berhadapan dengan
jenis energi ini yang disebut energi mekanis, yang meliputi kerja
energi kinetik, energi potensial dan kerja aliran sebagai bagian dari
entalpy. Energi mekanik adalah bentuk lain dari kerja atau suatu bentuk energi yang secara langsung dapat dirubah menjadi kerja.
Pertimbangan lain pada persamaan neraca energi (2.8), panas dan
internal energi, tidak dapat dirubah secara sederhanamenjadi kerja
karena Hukum II termodinamika dan efisiensi konversinya, yang
tergantung pada temperatur. Pembahasan energi mekanis tidak terbatas
dan dapat dikonversi dengan hampir sempurna menjadi kerja. Energi yang
dikonversi menjadi panas atau energi dalam merupakan kerja yang hilang
atau kehilangan energi mekanik yang disebabkan tekanan gesekan aliran.
Energi Hilang Gesekan
Tidak seperti
bentuk-bentuk lainnya yang sangat diperhatikan di titik awal dan akhir
suatu sistem, energi hilang gesekan terjadi disepanjang aliran. Energi
ini terjadi dari perubahan energi mekanik menjadi energi panas yang
tidak dapat diubah kembali menjadi bentuk energi asalnya atau energi
lain.
Energi hilang gesekan dapat terjadi antar elemen fluida dan antara fluida dengan dinding sepanjang saluran. Energi hilang gesekan disebut ‘skin friction” atau “frictional resistance”.
Peranan gesekan antar elemen dan gesekan antara elemen dengan dinding
tergantung pada pola aliran. Pada laju alir relatif rendah, gesekan
antar elemen (viscous section) sangat berperan. Bila laju alir meningkat, adanya arus gejolak (eddy current) menambah besarnya energi hilang gesekan. Gesekan antara elemen fluida dan dinding pun sangat berperan pada laju alir tinggi.
Bila aliran mengalami pemisahan elemen-elemen, maka energi hilang gesekan bertambah besar. Hal ini terjadi
misalnya pada belokan, penyempitan maupun pelebaran, kran, sambungan,
adanya padatan yang menghalangi aliran dan sebagainya.
Besarnya energi hilang gesekan merupakan jumlah dari kedua hal diatas :
F = Ffr + Flr(2.13)
Dengan Ffr dan Flr masing masing menyatakan energi hilang gesekan karena separation of boundary layers.
Besarnya frictional resistance tergantung
pada laju alir (energi kinetik), sifat fluida dan sifat permukaan
dinding, panjang dan diameter saluran.
Pompa
Daya dan kerja yang dibutuhkan
Energi mekanik yang diberikan Ws dalam J/kg yang diberikan ke fluida sering digambarkan sebagai Head pompa dalam m dari fluida yang dipompakan dimana ;
-WS = H.g(2.19)
Banyak faktor yang menentukan efisiensi
aktual dan karakteristik unjuk kerja pompa. Unjuk kerja suatu pompa
digambarkan oleh kurva yang disebut kurva karakteristik , biasanya
menggunakan fluida air. Head (H) yang dihasilkan akan sama untuk setiap
cairan yang memiliki viskositas sama.
Pada kebanyakan pompa, kecepatan umumnya
bervariasi. Kurva karakteristik untuk pompa sentrifugal tahap tunggal
yang bekerja pada kecepatan konstan, kebanyakan laju pompa berbasis pada
head dan kapasitas pada titik efisiensi puncak. Efisiensi mencapai
puncak pada laju alir kurang lebih 50 galon/menit, sementara bila harga
laju alir meningkat head yang dihasilkan akan menurun.
Sistem perpipaan
Sudden Enlargment
Suatu sudden enlargment
pada daerah alir fluida membesar tiba-tiba sehingga kecepatannya
menurun. Saat fluida memasuki pipa besar, suatu pancaran terbentuk
disaat fluida terpisah dari dinding tabung kecil. Karena tidak ada
dinding pipa yang mengendalikan pancaran fluida yang dihasilkan dari
pipa kecil, maka pancaran itu akan berekspansi sehingga mengisi seluruh
permukaan. Sebagian kecil fluida terpisah dari pancarannya dan
bersirkulasi diantara dinding dan pancaran. Pengaruh pusaran dan
expansi fluida sesuai dengan tiga perubahan pada profil kecepatan . Ada
Sudden Contraction
Suatu pengecilan tiba-tiba sering juga
disebut reduksi. Fenomena aliran pada kasus kontraksi sangat berbeda
dari pada ekspansi. Profil kecepatan adalah profil fluida yang mengalir
pada bagian yang besar. Kontraksi menyebabkan fluida berakselerasi saat
memasuki daerah yang lebih kecil.
Fitting dan Valve
Valve dan fitting dapat meningkatkan
penurunan tekanan pada sistem perpipaan aliran fluida bila dibandingkan
dengan pipa lurus tanpa valve dan fitting. Bahkan suatu sambungan ynag
menggabungkan dua pipa yang panjang, mengganggu profil kecepatan pada
aliran turbulen sehingga cukup untuk meningkatkan penurunan tekanan.
Ada dua prosedur standar untuk menentukan
pressure loss dalam aliran turbulen dengan adanya fitting. Prosedur
pertama ialah menggunakan tabel panjang ekivalen, cara kedua dengan
menggunakan koofisien kehilangan (k) untuk setiap tipe fitting.
Alat Ukur Fluida
Pengukuran fluida merupakan suatu
aplikasi penting pada neraca energi. Dasarnya flow meter dirancang
untuk menyebabkan penurunan tekanan yang dapat diukur dan dihubungkan
dengan laju alir. Penurunan tekanan ini diakibatkan oleh perubahan
energi kinetik, oleh gesekan dan lain-lain.
Manometer
karena kebanyakan fluid meter dapat
menyebabkan perbedaan tekanan sepanjang bagian pengukuran, suatu alat
ukur sederhana dapat digunakan untuk menentukan perbedaan ini. Salah
satu alat yang sederhana adalah manometer pipa U.
Pitot Tube
Tabung pitot digunakan untuk mengukur
kecepatan lokal pada suatu titik tertentu dalam arus aliran dan bukan
kecepatan rata-rata pada pipa. Salah satu tabung, yaitu tabung inpeact,
memiliki bukaan yang sejajar terhadap arah aliran dan tabung statif
memiliki bukaan paralel terhadap arah aliran.
Fluida mengalir kedalam bukaan,
terjadilah tekanan dan kemudian menjadi tetap pada disebut titik
stagnasi. Perbedaan pada tekanan stagnasi ini dan tekanan statis yang
diukur dengan tabung statif menggambarkan kenaikan tekanan dengan
deselarasi fluida. Manometer mengukur kenaikan kecil pada tekanan ini.
Bila fluida non kompressible, kita dapat menuliskan persamaan Bernoulli
antara kecepatan V1 adalah kecepatan sebelum fluida terdeselarasi dan kecepatan V2 adalah 0
Ventury Meter
Sebuah ventury meter selalu diletakkan
pada perpipaan. Sebuah manometer atau peralatan lain dihubungkan
terhadap 2 kran tekanan dan mengukur beda tekanan antara titik 1 dan
titik 2. Kecepatan rata-rata pada titik 1 adalah V1 dan diameter d1, dan pada titik 2 kecepatan adalah V2 dan diameter d2. Penyempitan dari d1 ke d2 dan ekspansi balik dari d2 ke d1 berlangsung secara perlahan-lahan. Friction loss yang kecil selama kontraksi dan ekspansi dapat diabaikan.
Untuk menurunkan persamaan pada ventury
meter, friksi diabaikan dan pipa diasumsikan horizontal. Asumsi aliran
turbulen dan persamaan neraca energi mekanik antara titik 1 dan 2 untuk
fluida incompressible
Orifice Meter
Pada instalasi-instalasi diproses plant
penggunaan ventury meter memiliki beberapa kerugian. Ventury memerlukan
ruangan yang luas dan juga mahal. Juga diameter throat yang tetap,
sehingga laju alir berubah drastis maka pembacaan perbedaan tekanan
menjadi tidak akurat. Ventury dapat diganti dengan suatu orifice meter
walaupun menimbulkan head loss yang lebih besar.
Suatu plat yang memiliki lubang dengan diameter d0 diletakkan diantara dua plat pipa dengan diameter d1. Lubang pengukur tekanan pada titik 1 dan titik 2 akan mengukur P1 – P2. Arus fluida melewati plat orifice membentuk suatu vena kontrakta atau arus pancar bebas.