Ada banyak kejadian dalam pabrik kimia dimana pembentukan dan akumulasi muatan elektrostatis dapat terjadi, yang berpotensi menimbulkan ledakan dan kebakaran. Insinyur harus memahami bahaya ini dan bagaimana menanggulanginya.
Stonehouse Process Safety
Ungkapan di atas adalah kalimat pembuka Cover Story yang ditulis oleh Vahid Ebadat dalam majalah Chemical Engineering edisi Januari 2021. Mungkin kita sudah mengenal listrik statis ketika mengamati fenomena menempelnya sobekan kertas pada penggaris mika setelah penggaris digosok-gosokkan ke rambut. Barangkali ada juga yang pernah mengalami kejut listrik elektrostatis (kesetrum) ketika menyentuh tombol elevator atau keluar mobil. Waktu saya di Jepang, terutama musim dingin, menyentuh tangan istri saja juga sudah mengalami kesetrum ini. Kejut ini adalah salah satu contoh “percikan bunga api” atau pelepasan tiba-tiba listrik statis (Gambar 1).
Pelepasan listrik statis di rumah hanyalah merupakan gangguan kecil, tetapi dalam konteks industri, ini dapat dan benar-benar menyebabkan banyak kebakaran dan ledakan kilat yang menghancurkan. Ini secara khusus benar dalam industri proses kimia dimana pabrik secara rutin menangani cairan dapat terbakar dan padatan dengan cara yang tidak sengaja menghasilkan listrik statis. Bahan ini sering dapat terbakar, tentu saja, dan dapat dinyalakan oleh percikan api dari pelepasan listrik statis yang dihasilkan.
Seperti halnya penggaris mika yang digosok-gosokkan ke rambut, ketika dua permukaan bersentuhan dan kemudian dipisahkan, dihasilkan muatan listrik statis. Sebagian besar muatan listrik statis dihasilkan ketika gerakan yang cepat dan tekanan dikenakan antara permukaan yang bersentuhan. Dalam industri proses kimia, listrik statis dihasilkan dalam banyak operasi proses umum, seperti ketika cairan mengalir melalui perpipaan dalam pabrik atau ketika partikel serbuk menyentuh permukaan peralatan proses dan pengangkut. Jadi, beberapa proses, seperti pengeringan unggun terfluidisasi dan pengangkut pneumatik, sebagai contoh, akan sering menghasilkan sejumlah besar muatan listrik statis, sebagaimana aliran cairan turbulen yang cepat, seperti dalam pembongkaran tanker atau operasi filtrasi.
Hal utama yang dihadapi listrik statis dalam tatanan industri adalah resiko penyalaan dan ledakan karena penyalaan udara dapat terbakar oleh pelepasan listrik statis. Gas, uap, awan debu dan aerosol yang dapat terbakar umum dijumpai dalam operasi proses, dan perlu tindakan pencegahan agar tidak terjadi penyalaan yang tidak sengaja. Ada banyak macam tindakan pencegahan terhadap kebakaran dan ledakan yang dapat dilakukan, dan pendekatan yang harus ada adalah menghilangkan sumber penyalaan elektrostatis dari lokasi dimana udara dapat terbakar mungkin ada.
Cara terbaik yang paling sesuai untuk mengendalikan listrik statis pabrik adalah pertama memahami bagaimana muatan listrik statis dihasilkan dan terakumulasi, dan bagaimana ia menghasilkan percikan api berbahaya yang harus dicegah.
Teori pembangkitan muatan listrik
Ada beberapa mekanisme yang berbeda untuk menjelaskan pembangkitan muatan listrik elektrostatis, yang meliputi: (i) elektrifikasi kontak, (ii) pemuatan listrik lapisan ganda, dan (iii) pemuatan listrik induksi.
Elektrifikasi kontak
Cara ini adalah cara paling umum dalam praktek yang sering juga disebut triboelektrifikasi. Pemuatan listrik kontak terjadi ketika dua bahan bersentuhan dan kemudian berpisah. Ada penyusunan ulang elektron pada permukaan yang bersentuhan dimana salah satu permukaan meninggalkan kelebihan elektron dan dikatakan bermuatan negatif, dan permukaan lain meninggalkan kekurangan elektron dan dikatakan bermuatan positif. Elektrifikasi kontak terjadi ketika, sebagai contoh, partikel serbuk bertumbukan atau bergesekan dengan talang pengangkut selama pencurahan, dan ketika sol sepatu bergesekan dengan lantai. Tingkat pemuatan dengan elektrifikasi kontak tergantung pada banyak faktor, antara lain: sifat kimia dua permukaan yang bersentuhan, luas kontak sesungguhnya, tekanan kontak dan konduktivitas bahan. Penanganan dan pemrosesan padatan curah dan serbuk umumnya mengakibatkan pengembangan tingkat muatan listrik statis yang relatif tinggi karena banyak serbuk adalah isolasi listrik (hambatan tinggi) dan serbuk memiliki luas permukaan per satuan massa yang relatif besar yang tersedia bagi berlangsungnya elektrifikasi kontak (Gambar 2).
Pemuatan listrik lapisan ganda
Pemuatan listrik lapisan ganda dapat terjadi pada antarmuka cair-padat dan cair-cair. Ion dengan polaritas sejenis diserap pada antarmuka. Ion yang terserap menarik ion dengan polaritas yang berlawanan dalam cairan, membentuk lapisan ganda di dekat antarmuka dengan struktur yang terkandung. Ketika cairan mengalir relatif terhadap antarmuka, ion yang bermuatan listrik positif menggeser menjauh, yang meningkatkan potensial dalam cairan. Efek ini, digabung dengan efek rekombinasi ion pada dinding bejana yang bersaing, mengakibatkan ketidakseimbangan muatan listrik dalam cairan. Ini adalah jenis pemuatan listrik statis yang terjadi, sebagai contoh, ketika cairan mengalir melalui pipa. Faktor yang dapat memperburuk pembangkitan muatan listrik dalam cairan meliputi:
- Aliran dua fasa dimana fasa kedua cairan atau padat ada dalam fasa kontinyu
- Tapisan atau saringan dalam perpipaan
- Proses yang menciptakan cipratan atau semprotan yang berlebihan
- Gerakan karena proses pencampuran atau pengadukan
Mekanisme pemuatan listrik lapisan ganda dapat berlangsung bahkan dalam pabrik yang dipasang arde dengan baik. Pemasangan arde listrik dalam pabrik adalah penting, tetapi itu bukan satu-satunya yang mencegah pembangkitan muatan listrik.
Pemuatan listrik induksi
Pemuatan listrik induksi terjadi ketika benda yang dapat menghantarkan listrik yang diisolasi dari tanah meninggalkan (atau masuk) medan listrik. Ketika ada dalam medan, benda penghantar listrik secara perlahan-lahan menerima atau kehilangan muatan listrik pada laju yang ditentukan oleh kapasitansinya dan hambatannya terhadap tanah. Jika konduktor menjadi cukup bermuatan listrik oleh induksi, maka dapat ada resiko pelepasan elektrostatis. Pemuatan listrik induksi umumnya dapat dikendalikan dengan pemasangan arde.
Akumulasi muatan listrik
Pembangkitan muatan listrik statis tidak berbahaya jika tidak menumpuk. Jika muatan listrik statis dibiarkan menumpuk pada struktur pabrik, orang, atau media serbuk atau cairan, mungkin mengakibatkan pelepasan muatan elektrostatis yang berbahaya.
Pabrik, peralatan dan personel
Dimanapun ada proses pemuatan listrik, muatan listrik dapat menumpuk pada fasilitas pabrik, peralatan atau orang jika tidak ada tempat untuk lari – artinya bahwa struktur pabrik, peralatan atau orang yang terisolasi secara listrik dari tanah. Muatan listrik ini menumpuk menghasilkan kenaikan tegangan, yang dapat memicu resiko penyalaan pada daerah yang berbahaya dimana dimana ada udara yang dapat terbakar. Selain itu, keberadaan struktur pabrik yang terisolasi (tidak konduktif) atau peralatan dalam daerah berbahaya dapat mengarah kepada pelepasan elektrostatis kecil dari permukaan isolator itu sendiri. Dalam lingkungan yang dapat terbakar, pelepasan muatan listrik ini dapat menyebabkan penyalaan.
Serbuk dan cairan
Dimanapun ada proses pemuatan listrik, penumpukan muatan listrik sepertinya paling mungkin terjadi pada serbuk atau cairan yang mempunyai hambatan listrik tinggi. Dalam istilah elektrostatis, bahan yang memiliki hambatan tinggi seperti itu dapat menahan muatan listrik selama beberapa menit, jam atau lebih lama – meskipun muatan bersentuhan dengan struktur pabrik yang terhubung secara listrik dengan tanah.
Pelepasan elektrostatis
Pelepasan elektrostatis terjadi pada benda atau permukaan yang potensial (tegangan) elektrostatisnya berbeda. Ketika benda atau permukaan mengumpulkan muatan listrik, kekuatan medan listrik diatasnya menguat. Jika kekuatan medan antara benda atau permukaan melebihi kekuatan penghalang dari udara diantaranya, pelepasan elektrostatis akan terjadi. Pelepasan seperti itu mempunyai kandungan energi yang bervariasi, tetapi kadang-kadang cukup berenergi untuk menyalakan lingkungan dapat menyala di dekatnya, yang meliputi gas, uap, awan debu atau aerosol yang dijumpai dalam industri proses kimia.
Energi pelepasan efektif sangat tergantung pada jumlah muatan listrik yang terakumulasi dan pada sifat listrik permukaan atau benda yang terlibat. Secara umum, dalam sebagian besar situasi, energi pelepasan maksimal dari penghantar listrik dapat secara signifikan lebih tinggi daripada yang dari orang, yang pada gilirannya lebih besar daripada yang dari permukaan serbuk curah dan dari struktur pabrik dan peralatan yang terbuat dari bahan isolasi.
Jadi, resiko penyalaan udara yang dapat terbakar dengan pelepasan listrik statis tergantung pada energi efektif pelepasan elektrostatis dan pada sensitivitas penyalaan udara dapat terbakar. Sensitivitas penyalaan adalah sifat (yang dapat diukur) dari udara yang dapat terbakar.
Penutup
Banyak kebakaran dan ledakan industri telah disebabkan oleh pelepasan listrik statis yang menyalakan uap dapat terbakar dan serbuk yang sering dijumpai dalam pabrik industri proses kimia. Pembangkitan listrik statis paling umum terjadi manakala bahan – cairan atau padatan – bertemu dan berpisah. Dalam proses industri ada banyak kejadian selama pemindahan, penanganan, pemrosesan dan pengepakan cairan dapat terbakar dan serbuk dimana pembangkitan muatan elektrostatis dan penumpukan dapat terjadi, dan kadang-kadang mengakibatkan pelepasan muatan elektrostatis. Kebakaran dan ledakan terjadi ketika pelepasan muatan ini mempunyai lebih banyak energi daripada minimal yang dibutuhkan untuk menyalakan uap yang dapat terbakar atau awan debu.
Apa yang diuraikan di sini hanyalah merupakan ringkasan dari yang ditulis dalam cover story majalah Chemical Engineering edisi Januari 2021. Bagi yang tertarik bisa membaca di sumber aslinya (disini).
Elkimkor 