VISUALISASI STUDI TERHADAP PEMISAHAN MINYAK DAN AIR DENGAN MENGGUNAKAN METODE T- JUNCTION PADA PIPA EKSPLORASI

VISUALISASI STUDI TERHADAP PEMISAHAN MINYAK DAN AIR DENGAN

MENGGUNAKAN METODE T- JUNCTION PADA PIPA EKSPLORASI

Nuryosuwito, Imam Syofii, Deendarlianto dan Indarto Jurusan Teknik Mesin UGM

Jl. Grafika No.2 Kampus UGM, Yogyakarta 55281 Email: nuryosuwito@yahoo.com, syofii_imam@yahoo.com

ABSTRAK

Paper ini memberikan data tentang peta pola aliran dua fase liquid/liquid (minyak tanah dan air) pada pipa T- Junction yang divisualisasikan dengan high speed digital camera. Eksperimen ini menggunakan minyak tanah dan air yang dicampur dalam Mixer, setelah itu dipisahkan pada T-Junction yang berdiameter 25,4 mm. Kecepatan superficial minyak tanah yang digunakan 0,15 - 1,97 m/dtk, sedangkan untuk air adalah 0,24 - 0,83 m/dtk. Empat tipe pola aliran akan ditemui, yaitu: aliran gelembung (bubble flow), aliran kantung (slug flow), aliran acak (churn flow) dan aliran cincin (annular flow). Tipe pola aliran ini digunakan untuk menentukan persentasi fraksi massa air yang terpisahkan. Sehingga hasil eksperimen ini diharapkan menjadi suatu model baru untuk pemisahan minyak dan air pada industri perminyakan yang lebih efisien dan ekonomis.

Kata kunci: Pemisahan cairan-cairan; pola aliran; T-junction

PENDAHULUAN

Indonesia mempunyai sumber kandungan minyak bumi, gas alam dan panas bumi yang melimpah, tetapi belum dieksplorasi secara maksimal. Untuk memenuhi kebutuhannya masih mengimpor minyak dari negara lain. Sehingga perlu dilakukan ekplorasi secara maksimal dan penggunaan teknologi yang lebih ekonomis dan efisiensi. Pengembangan industri pengeboran minyak dan gas alam dibutuhkan suatu pengetahuan tentang karakteristik aliran, baik itu pola aliran maupun penurunan tekanan, untuk mendapatkan desain dan sistem pengoperasian yang optimum. Proses pemisahan minyak dan air dilakukan pada separator yang merupakan proses yang sangat penting dalam industri perminyakan, karena menentukan kualitas pemisahan minyak dan air.

Penelitian aliran dua fasa pada fasa redistribusi di T-junction mempunyai dua motivasi:

a. Untuk mencegah efek yang merugikan pada distribusi tidak merata pada suatu peralatan ketika suatu T-Junction digunakan sebagai pemisah cairan yang sederhana;

b. Untuk menngetahui fase separasi yang efektif ketika simpangan (junction) digunakan sebagai suatu fase pemisah parsial.

Tinjauan Pustaka

Azzopardi dan Whalley (1982) telah melakukan penelitian dan analitis untuk melihat efek pola aliran pada aliran dua fasa di Junction, dengan media gas dan air. Pada penelitiannya, cabang T-Junction di buat vertikal dan horisontal pada diameter 6, 35 mm, 12,7 mm dan 19 mm. Hasil dari penelitiannya didapatkan bahwa arah aliran di T-Junction sangat bergantung pada pola alirannya. Jika pola alirannya adalah aliran cincin (annular) atau aliran acak (churn), biasanya yang lebih banyak masuk ke side tube adalah liquid. Tetapi jika pola alirannya adalah aliran gelembung (bubbly), gas yang akan lebih banyak masuk ke side tube.

Yang dan Azzopardi (2006) telah mengadakan penelitian tentang pemisahan aliran dua fasa liquid-liquid pada T-junction horisontal. Distribusi tak merata pada T-Junction diukur dengan menggunakan fluida uji minyak tanah dan air. Diameter pipa yang digunakan adalah 67,4 mm. Data pemisahan fasa yang diambil yaitu pada aliran stratified mixture interface (ST & MI) dan aliran

dispersed (Do/w or Dw/o) di inlet T-junction. Data yang diukur berdasarkan pada besarnya aliran fraksi

massa yang keluar dari cabang vertikal (side arm). Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa hasil pemisahan fasa dapat diukur berdasarkan pada aliran fraksi massa yang berbeda-beda, persentase air di dalam campuran (water cut), dan kecepatan campuran pada pola aliran yang berbeda. Pada pola aliran ST & MI hasil pemisahan fase yang didapat lebih baik dari pada pola aliran dispersed.

Oranje (1973) meneliti aliran 2-fase antara gas dan fluid. Dari hasil expeimen diperoleh bahwa perbandingan yang terpisahkan (split ratio) dari campuran gas dan liquid pada T-Junction dipengaruhi oleh tekanan, mass inertia liquid, pola aliran dan bentuk T-Junction.

Landasan Teori

Beberapa model matematika digunakan untuk mensimulasikan aliran banyak fase, yang mana aliran dua fase merupakan yang lebih akurat. Pada Fluent, model ini meliputi persamaan momentum dan persamaan yang dipecahkan untuk masing-masing tahap.

Persamaan atur yang digunakan adalah :

Menurut hukum kekekalan massa, persamaan kontinuitas :

)

3

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

:

adalah

momentum

konservasi

Persamaan

)

2

(

1

dimana;

)

1

(

0

)

(

)

(

, , 1 l k kl k vm k lift k k k k k k k k k k k k k k N k k k k k k k

u

u

K

F

F

F

g

P

u

u

u

t

u

t

−

+

+

+

•

+

+

•

∇

−

−∇

=

•

∇

+

∂

∂

=

=

•

∇

+

∂

∂

∑

=

ρ

α

ρ

α

τ

α

ρ

α

ρ

α

α

ρ

α

ρ

α

Pada kasus dengan diameter partikel relative besar, lift force ditentukan oleh persamaan :

)

(

.

5

.

0

_{k. k k l l} lift

u

u

x

xu

F

=

−

α

ρ

−

∇

(4)

Virtual mass force ( gaya berat sebenarnya) / Fvm didefinisikan sebagai :

l k l k k vm

dt

du

dt

du

F

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

₋

=

α

ρ

2

1

(5) Koefesien perubahan (Kkl) untuk oil / water pada aliran 2-fase ditentukan oleh persamaan:

kl l l k k k kl

f

K

τ

ρ

α

ρ

α

α

(

+

)

=

(6)

Dimana :

τ

_kl adalah particulate relaxation time f adalah drag function (fungsi seretan)

18

(

)

2

)

(

2 l l k k l k l l k k kl

d

d

μ

α

μ

α

ρ

α

ρ

α

τ

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+

+

=

(7)

)

10

(

Re

)

9

(

1000

Re

,

44

.

0

)

9

(

1000

Re

,

Re

)

Re

15

.

0

1

(

24

)

8

(

24

Re

687 . 0 k k l k k D D D

d

u

u

b

C

a

C

C

f

μ

ρ

−

=

=

≤

+

=

=

f

- Mixture density (ρm) dan mixture velocity (um) didefinisikan sebagai :

∑

=

=

N k k k m 1

ρ

α

ρ

(11)

∑

∑

= =

=

_N k k k N k k k k m

u

u

1 1

ρ

α

ρ

α

(12)

(

)

[

]

:

(

14

)

:

sebagai

kan

didefinisi

Pr

)

13

(

, , , 2 , m T m m m t m k m k m m t

u

u

u

G

G

energy

kinetic

turbulence

of

oduction

k

C

∇

∇

+

∇

=

=

μ

ε

ρ

μ

_μ Metode Penelitian

Semua proses pengujian dilakukan di Laboratorium Hidrodinamika Jurusan Teknik Mesin UGM. Skema instalasi penelitian dapat dilihat pada Gambar 1. Air dan minyak tanah dipompa dari masing-masing tangki, diukur dengan perbandingan tertentu dan diarahkan ke T-Mixer (pencampur). Kemudian campuran air-minyak tanah akan melalui T-junction dan terjadi pemisahan. Setelah terpisah kemudian kerosene dan air di masukkan ke dalam tangki ukur untuk diukur volumenya. Setelah diukur kemudian kerosene dan air dialirkan ke sebuah separator untuk dipisahkan dan selanjutnya dialirkan kembali ke masing-masing tangki penampungan.Visualisasi dilakukan pada pipa masuk (inlet), pipa lurus (run) dan pipa cabang (side arm).Hal ini dilakukan untuk mengetahui pola aliran yang terjadi.

Amplifier Computer A/D Converter T-Junction PT Mixing section F PT P P : Pump F : Flowmeter P Water : Valve Kerosene

Gambar 1. Skema Instalasi penelitian

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada kasus ini, luasan fraksi yang ditempati oleh ketiga lapisan yaitu lapisan air, campuran air- minyak tanah dan lapisan minyak tanah, diukur berdasarkan pengamatan langsung pada posisi antarmuka.

Visualisasi aliran

Dari hasil pengamatan visual yang menggunakan High Speed Camera didapatkan: Pipa inlet.

Gambar 3. Pola aliran dispersed pada pipa inlet

Pipa T- Junction

Gambar 4. Pola aliran Stratified pada pipa T-Junction

Peta Pola Aliran

Peta pola aliran pada pipa inlet dan pipa T-junction dapat dilihat pada gambar 6.

Gambar 6. Peta pola aliran

Pada gambar 7 untuk water cut yang konstan (55,6%) menunjukkan bahwa kecepatan campuran yang bervariasi hanya memberikan pengaruh yang kecil terhadap luasan fraksi.

Gambar 7. Pengaruh kecepatan campuran terhadap fraksi area

KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari hasil penelitian ini adalah:

• Hasil pemisahan fasa dapat diukur berdasarkan pada aliran fraksi massa yang berbeda-beda, persentase air di dalam campuran (water cut), dan kecepatan campuran pada pola aliran yang berbeda.

• Pada pola aliran Stratified (ST) & Mixture Inface (MI) hasil pemisahan fase yang di

dapat lebih baik dari pada pola aliran Dispersed

Water s

uperfi

cial

v

eloci

ty

DAFTAR PUSTAKA

Azzopardi, B.J., 1999. Phase separation at T-junctions. Multiphase Sci. Tech. Vol 11, pp 223–329. Azzopardi, B.J., Whalley, P.B., 1982. The Effect Of Flow Patterns On Two-Phase Flow In A

T-Junction. Int. Journal of Multiphase Flow, Vol 8, pp. 491–507.

Diao Ming-jun, Yang Yong-quan et al., 2002. Numerical simulation on 2-D water-air two-phase flow

over top outlet [J]. Journal of Hydrodynamics. Ser. B, Vol 14 (3), pp 60-63.

Lovick, J., Angeli, P., 2004. Experimental studies on the dual continuous flow pattern in oil–water

flows. Int. J. Multiphase Flow Vol 30, pp 139–157.

Seeger, W., Reimann, J., Mu¨ ller, U., 1986. Two-phase flow in a T-junction with a horizontal inlet Part

I: phase separation. Int. J. Multiphase Flow Vol 12, pp 575–585.

Wallis dan Graham B., 1988. One-Dimensional Two Phase Flow. McGraw Hill, New-York.

Yang, L., Azzopardi, B.J., 2007. Phase Split of Liquid-Liquid Two-Phase Flow at a Horizontal