PENGARUH HAMBATAN DOWNSTREAM TERHADAP KARAKTERISTIK PEMISAHAN FASE KEROSENE-AIR PADA T-JUNCTION 90O
Untung Surya Dharma1, Dewi Puspita Sari2, Indarto3, Purnomo3
1)Jurusan Teknik Mesin, FT-UGM
2)Jurusan Teknik Mesin, FT-Universitas Sriwijaya, 3)Jurusan Teknik Mesin & Industri, FT-UGM
Program Pascasarjana Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin dan Industri FT-UGM Jalan Grafika No. 2 Yogyakarta, Indonesia. Telp dan Fax (+62) 274 521 673
Email: untungsdh@yahoo.co.id
Abstract
Research on T-Junction as a separator of liquid-liquid flow is still of interest and developing. Some works evaluated certain geometries to obtain the best separation efficiency. The work to examine the separation behavior/characteristic of kerosene-water flow in a T-Junction at ratio of elbow radius to inlet diameter
horizontal pipe (r/Dh) = 0.69 carried out is completed. The orientation of side arm is vertically right upward
whilst the ratio at diameter of the flex glass tube is set at 0.7 (horizontal tube and vertical tube at 36 mm and 26 mms respectively). To lead kerosene to the side arm, the downstream valve set at 75% and 50% respectively.
Downstream pressure, pressures difference at inlet-run arm (∆P1-2) and inlet-side arm (∆P1-3) and debit of
kerosene and water in side and run arm are the variable at the research. Based on visualization and measurement at maximum flow separation efficiency at 88%, is gained at downstream pressure 104326 Pa,
watercut 46%, Jmix = 0,31 m/s (Jw = 0,14 m/s and Jk = 0,17 m/s). The best separation result with Fk = 0,96
and Fw = 0,22 is gained at downstream pressure 104287 Pa, watercut 70%, Jmix = 0,56 m/s (Jw = 0,39 m/s
and Jk = 0,17 m/s) and flow pattern at Stratified Bubble Interface (ST-BI).
Keywords : T-Junction, Kerosene-water, Downstream Resistance , Mass Fraction Taken Off, Mass
Separation Efficiency.
Pendahuluan
Pada umumnya industri minyak dan gas alam lepas pantai sekarang ini banyak menggunakan sebuah bejana (vessel) besar dalam proses pemisahan minyak mentah yang masih bercampur dengan gas alam, air dan pasir ketika di eksplorasi dan dialirkan melalui pipa-pipa (aliran multifase). Namun alat ini memerlukan rangka baja penunjang, ruang yang besar yang akan dipasang pada instalasi lepas pantai dan harganya mahal, selain itu beresiko kebakaran karena bejana tersebut digunakan untuk menampung material yang mudah menyala (flammable material).
Berdasarkan kondisi tersebut, beberapa peneliti mengajukan alternatif yang lebih ekonomis dan sederhana untuk menggantikan tugas bejana/vessel tersebut yaitu metode
T-junction. Metode ini dipilih karena biaya
pembuatan dan materialnya relatif murah, selain itu konstruksi dan instalasinya lebih sederhana dibanding metode yang sudah ada (Azzopardi dkk, 1982).
Penelitian tentang T-Junction untuk mengetahui fenomena pemisahan fase telah dilakukan lebih dari tiga dekade, baik secara eksperimen maupun secara analisa teoritis. Wang (2008) menjelaskan dalam laporan penelitiannya bahwa, metode pemisahan fase dengan menggunakan T-junction pertama kali diperkenalkan oleh Oranje pada tahun 1973 yang meneliti tentang pemisahan aliran dua fase gas-cair. Berdasarkan hasil penelitiannya
dinyatakan bahwa rasio pemisahan
dipengaruhi oleh berbagai macam faktor diantaranya adalah tekanan di tiap cabang (side
arm dan run arm), mass inertia dari cairan,
pola aliran dibagian upstream, dan geometri dari T-junction. Bentuk geometri dikemukan oleh Azzopardi dkk(1982). Pada tahun 2006, pemisahan fasa kerosene-air pada T-junction diteliti untuk pertama kalinya oleh Yang dan Azzopardi, dan suatu penyederhanaan model dikemukakan untuk memprediksi distribusi aliran yang tidak merata. Selain itu, data pemisahan cairan/cairan dua-fasa pada
T-junction horisontal juga diukur oleh Yang dan
Azzopardi (2007).
Parameter yang digunakan dalam penelitian ini didefinisikan berdasarkan penelitian dari Yang dan Azzopardi (2006). Gambar 1, 𝑚̇ dan x merupakan laju aliran massa dan kualitas massa kerosene (rasio dari laju aliran massa kerosene terhadap laju aliran massa total); subskrip K dan W menunjukkan
kerosene dan air. Parameter aliran pada pipa inlet ditunjukkan dengan indeks 1, straight arm (run) 2 dan side-arm (branch) 3.
Parameter lain yang sering digunakan untuk dua cairan yang berbeda adalah water cut, yang didefinisikan sebagai fraksi volume air dalam aliran atau water cut =
k w w J J J
Gambar 1. Parameter-parameter aliran dua-fasa di T-junction
Fraksi kerosene yang terpisahkan 𝐹𝐾 = 𝑚̇𝐾3
𝑚̇𝐾1 ; fraksi air yang terpisahkan 𝐹𝑊=
𝑚̇𝑊3
𝑚̇𝑊1.
Fraksi massa terpisahkan 𝐹𝑚= 𝑚̇3 𝑚̇1.
Untuk persamaan efisiensi pemisahan yang dipakai adalah:
. 1 . 3 m m = x1 (untuk efisiensi 100%); 𝜂 = 1 − 𝐹𝑊 = − 1 (1− 𝑥1) 𝑚̇3 𝑚̇1+ 1 1− 𝑥1 (𝑗𝑖𝑘𝑎 𝑚̇3 𝑚̇1 ≥ 𝑥1) Dan = Fk = 1 1 x . 1 . 3 m m , 1 1 3 x m m jika . Walters, dkk (1997) melakukan penelitian tentang pengaruh rasio diameter terhadap penurunan tekanan dan distribusi fase dengan fluida kerja udara-air pada T-Junction dengan rasio diameter 0,206 dan 0,5. Dalam penelitiannya menunjukan bahwa fase gas
cenderung lebih banyak mengalir ke side arm pada rasio diameter 0,5. Sedangkan pada rasio diameter 0,206 kecenderungan tersebut tidak konsisten. Untuk penurunan tekanan di
inlet-run arm, ΔP12, akan semakin kecil dengan semakin besar fraksi massa (𝑚3
𝑚̇1)
̇ tetapi untuk penurunan tekanan di inlet-side arm, ΔP13, adalah kebalikannya.
Penelitian mengenai karakteristik pemisahan kerosene-air menggunakan
T-juntion dengan side arm vertikal keatas juga
dilakukan oleh Saroinsong (2010). Dalam penelitiannya tentang pemisahan fase menggunakan r/Dh = 0,14, 0,42 dan 0,69 pada sudut T-junctions 90O dengan rasio diamater 0,5. Fluida kerja yang digunakan adalah
kerosene-air. Diketahui bahwa secara keseluruhan hasil pemisahan fase yang paling baik terjadi pada radius belokan 15 mm dan
water cut 45 % dengan hambatan aliran downstream sebesar 3795,8 Pa, sedangkan
untuk efisiensi pemisahan fase tertinggi sebesar 99% terjadi pada radius belokan 25 mm dan water cut 45%. Semua kondisi terbaik ini terjadi pada pola aliran stratified. Dari penelitian tersebut juga disimpulkan bahwa semakin besar radius belokan pada T-junction maka akan semakin besar gaya sentrifugal yang mengakibatkan fase kerosene akan mengalir menuju side arm dan fase air menuju ke run arm.
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah menganalisa distribusi tekanan di T-Junction dan karakteristik pemisahan fase pada aliran
kerosene-air dengan menggunakan
perbandingan radius belokan terhadap diameter dalam pipa horizontal (r/Dh) = 0,14 pada T-Junction 90o dan rasio diameter dalam pipa 0,7.
Metodologi Penelitian
Skema Peralatan Pengujian
Gambar 2. Sketsa T-junction Prosedur Pengujian
Prosedur pengujian dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : Sketsa T-junction dan instalasi peralatan yang digunakan dalam penelitian ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3. Fluida kerja yang digunakan adalah kerosene (densitas = 819 Kg/m3) dan air (densitas = 998 Kg/m3). Pipa uji terbuat dari bahan plexyglass yang berdiameter dalam 36 mm untuk horisontal (Dh) dan 26 mm untuk vertikal (Db). Cara pengambilan data adalah air terlebih dahulu dipompakan dari tangki penampungan ke dalam pipa saluran sampai penuh, selanjutnya kerosene dipompakan dari tangki penampungan kedalam pipa saluran sehingga kerosene dan air akan bercampur di dalam mixer. Kemudian di atur katup hambatan aliran pada downstream. Setelah
kerosene dan air bercampur di dalam mixer,
kemudian debit aliran keduanya diatur dengan menggunakan flowmeter dengan nilai besaran sesuai dengan matriks tes penelitian (Tabel 1). Setelah kondisi aliran campuran steadi dan melewati seksi uji, pengambilan data tekanan di 10 titik T-Junction dan sampel pemisahan fase dilakukan secara bersamaan. Pengambilan sampel pemisahan fase dilakukan ketika fluida yang ditampung dalam tabung volumetrik mencapai posisi ± 65 cm dan waktu tercapainya kondisi tersebut di ukur menggunakan stopwatch. Setelah pengambilan sampel, aliran dialihkan kembali keseparator.
Visualisasi terhadap pola aliran pada sisi inlet dan daerah T-junction dengan menggunakan handycam. Setelah kerosene dan air yang ada di tabung ukur sudah terpisah,
dilakukan pembacaan level kerosene dan level air. Aliran campuran yang sudah selesai diamati selanjutnya dipisahkan di separator, setelah terpisah kerosene dan air kemudian dipompa kembali ke tangki penampungan untuk digunakan lagi pada pengambilan data selanjutnya.
Gambar 3. Instalasi peralatan pengujian Tabel 1. Matriks tes penelitian
Db= Dh = 36 r/Dh = 1,1x10-41,3x10-41,4x10-4 1,7x10-41,8x10-4 2,1x10-4 2,2x10-4 0.14 0.16 0.17 0.20 0.22 0.25 0.26 9,5x10-5 0.10 0.24 0.26 0.27 0.30 0.32 0.35 0.36 1,2x10-4 0.14 0.28 0.30 0.31 0.34 0.36 0.39 0.40 2,2x10-4 0.21 0.34 0.36 0.37 0.40 0.42 0.45 0.46 2,5x10-4 0.23 0.37 0.39 0.40 0.43 0.45 0.48 0.49 3,2x10-4 0.30 0.43 0.45 0.46 0.49 0.51 0.54 0.55 3,8x10-4 0.36 0.49 0.51 0.52 0.56 0.57 0.60 0.61 4,2x10-4 0.39 0.52 0.54 0.56 0.59 0.61 0.63 0.64 QW (m3/s) Jw (m/s) Qk (m3/s) Jk (m/s) Jmix (m/s)
Hasil Dan Pembahasan
Hasil Penelitian
Tabel 2. Data Hasil Pemisahan Fase pada T-Junction dengan r/Dh = 0,69 dan rd = 0,7
Pemisahan Fase
Dari hasil penelitian pada Tabel 2, pengujian dilakukan dengan melakukan pengaturan hambatan aliran pada downstream sebesar 75% dan 50 % dari total aliran yang mengalir di downstream. Data hasil pemisahan fase disajikan berdasarkan perbandingan fraksi
kerosene dan fraksi air yang mengalir ke side arm. Hasilnya adalah pada hambatan downstream 75% (gambar 4.a), pada watercut
yang besar, semua kondisi menunjukan bahwa semua fase kerosene hamper semuanya mengalir menuju side arm (100%) sedangkan pada hambatan downstream 50% (gambar 4.b) pada semua kondisi, tidak ada yang menunjukan fase kerosene dapat mencapai 100% mengalir menuju side arm. Hal ini dikarenakan pada hambatan downstream 75%, fase air yang ikut mengalir menuju side arm lebih banyak dibandingkan dengan hambatan
downstream 50% pada kondisi water cut yang
sama. Ini artinya, cairan akan lebih mudah mengalir menuju side arm apabila hambatan
downstream diperbesar. Kondisi water cut dan kecepatan superfisial campuran memberikan pengaruh terhadap hasil pemisahan fase. Semakin besar nilai water cut maka pemisahan fase semakin baik. Pada penelitian ini, pemisahan fase yang baik terjadi pada pengaturan hambatan aliran downstream sebesar 50% dengan tekanan downstream yang
terjadi sebesar 104287 Pa dan water cut 70% yaitu fase kerosene (Fk) = 0,96 mengalir ke
side arm dan fase air (Fw) hanya 0,22.
(a)
(b)
Gambar 4. Grafik Pemisahan Fasa (a) Hambatan Downstream 75%;
(b) Hambatan Downstream 50% Efisiensi Pemisahan Fasa
Pengaruh hambatan downstream
terhadap efisiensi pemisahan dapat dilihat pada gambar 5.a dan 5.b. Dari grafik tersebut diperoleh efiensi pada hambatan downstream
Fk Fw Fk Fw 0,36 0,16 104473 0,92 0,17 105032 1 0,68 0,39 0,17 104287 0,96 0,22 105944 1 0,68 0,30 0,17 104218 0,72 0,05 104767 1 0,63 0,36 0,20 104394 0,82 0,19 105179 1 0,65 0,39 0,22 104483 0,96 0,26 108160 1 0,65 0,21 0,14 104041 0 0 104542 1 0,45 0,23 0,16 103973 0,17 0 104640 1 0,54 0,30 0,20 104345 0,83 0,08 104551 1 0,61 0,39 0,26 104689 0,91 0,27 110151 0,99 0,64 0,23 0,17 104159 0,24 0 104640 1 0,55 0,30 0,22 104345 0,85 0,10 105816 1 0,60 0,36 0,26 104502 0,91 0,24 109082 0,98 0,63 0,23 0,20 104287 0,57 0 104463 1 0,56 0,30 0,26 104385 0,86 0,16 106493 0,98 0,58 0,21 0,22 104247 0,35 0 104551 0,99 0,50 0,23 0,25 104287 0,70 0,04 104659 0,98 0,54 0,14 0,17 103267 0 0 104326 0,88 0,09 0,21 0,25 104267 0,55 0 104561 0,98 0,49 60 58 54 49 46 P downstream 50% (Pa)
FRAKSI MASSA P downstream 75% (Pa) FRAKSI MASSA 70 64 WATERCUT (%) Jw (m/s) Jk (m/s)
50% cenderung memiliki efisiensi yang lebih baik dibandingkan pada hambatan 75%. Hal ini dikarenakan pada hambatan downstream yang lebih besar, cairan, baik kerosene maupun air, akan mengalir lebih banyak menuju side arm. Pada grafik itu juga terlihat semua data fraksi massa yang mengalir ke side
arm pada hambatan downstream 75% dan 50%
cenderung terletak pada garis pemisahan ideal kedua yang menunjukkan bahwa air murni mengalir ke run arm dan campuran mengalir ke side arm.Pada penelitian ini, nilai Efisiensi pemisahan fase tertinggi sebesar 88% terjadi pada watercut 46% ketika pengaturan hambatan aliran pada downstream sebesar 75% dengan tekanan downstream sebesar 104326 Pa dan kecepatan superficial campuran 0,31 m/s (Jw = 0,14 m/s dan Jk = 0,17 m/s), pola aliran di inlet yang terbentuk adalah stratified
Bubble Interface (ST-BI) dan di T-junction
adalah 3L-2 (gambar 6).
(a)
(b)
Gambar 5. Grafik Efisiensi vs Fraksi Massa Terpisahkan
(a) Hambatan Downstream 75%; (b) Hambatan Downstream 50%
Gambar 6. Pola Aliran yang Terjadi di Inlet dan Percabangan pada Jmix = 0,31 m/s (Jw =
0,14 m/s dan Jk = 0,17 m/s)
Kesimpulan
Dari penelitian yang dilakukan disimpulkan bahwa :
1. Hambatan downstream sangat berpengaruh terhadap pemisahan fase dan efisiensi pemisahan fase. Semakin besar hambatan downstream maka fraksi kerosene yang dihasilkan akan semakin baik hinga mencapai 100% tetapi nilai fraksi air juga akan semakin besar. Sedangkan pada hambatan downstream yang kecil fraksi kerosene yang dihasilkan cukup tinggi walaupun tidak ada yang mencapai 100% namun nilai fraksi air juga akan kecil. 2. Pemisahan fase yang terbaik terjadi pada
hambatan downstream 50% dengan tekanan 104287 Pa pada water cut 70% dan kecepatan superficial campuran 0,56 m/s (Jw = 0,39 m/s dan Jk = 0,17 m/s) yang menghasilkan fase kerosene 0,96 mengalir ke side arm dan fase air 0,22.
3. Efisiensi pemisahan maksimum sebesar 88% terjadi pada watercut 46% dan Tekanan downstream sebesar 104326 Pa. Hal ini terjadi pada kecepatan superficial campuran 0,31 m/s (Jw = 0,14 m/s dan Jk = 0,17 m/s), pola aliran inlet dan percabangan yang terbentuk adalah stratified Bubble
Daftar Pustaka
[I] Angeli, P and Hewitt, G.F. 1999. Flow Structure in Horisontal Oil-Water Flow. International Journal of Multiphase Flow. Vol-26. Pp 1117-1140.
[II] Angeli, P and Hewitt, G.F. 1998. Pressure Gradient in Horizontal Liquid-Liquid Flows. International Journal of Multiphase Flow. Vol-24. pp 1183-1203.
[III] Azzopardi B.J, Smith P.A, 1992. Two-phase flow split at T-junction : effect of side arm orientation and downstream geometry. International Journal of Multiphase Flow. Vol. 18, pp. 861-875. [IV] Brauner, N, Maron D.M.,1992, Flow Pattern transitions in two phase liquid-liquid flow in horizontal tubes, International Journal of Multiphase flow, Vol. 18, pp. 123-140.
[V] Nuryosuwito, 2008. Karakter
pemisahan air dan kerosene
menggunakan T-junction di pipa horizontal. Tesis, tidak dipublikasikan. [VI] Penmatcha V.R, Ashton P.J, Shoham O, 1996. Two-phase stratified flow splitting at a T-junction with an inclined branch arm. International Journal of Multiphase Flow. Vol. 22, pp.1105-1122.
[VII] Rodriguez, O.M.H. and Oliemans, R.V.A. 2005. Experimental Study on Oil-Water Flow in Horizontal and Slightly Inclined Pipes. International Journal of Multiphase Flow. Vol-32. pp 323-343.
[VIII] Shoham O, Brill J.P, Taitel Y, 1987. Two-phase Flow Splitting in a T-junction Experiment and Modeling. Pergamon Journal. Vol. 42, no.11, pp. 2667-2676.
[IX] Saroinsong, Tineke, 2010, studi eksperimental pengaruh variasi radius belokan pada t-junction terhadap karakteristik pemisahan kerosene-air, tesis, tidak dipublikasikan.
[X] Walters, L.C., Soliman, H.M., Sims, G.E., 1997. Two-Phase Pressure Drop and Phase Distribution at Reduced Tee
Junctions. International Journal of Multiphase Flow. Vol-24 . pp 775-792. [XI] Wang Li-yang, WU Ying-xiang, ZHENG Zhi-chu, GUO Jun, ZHANG Jun, TANG Chi, 2008. Oil-water two-phase flow inside T-junction. Journal of Hydrodynamic. Vol. 20(2), pp.147-153.
[XII] Yang L, Azzopardi B.J, Belghasi A, 2006. Phase separation of liquid-liquid two-phase flow at a T-junction. AIChE Journal. Vol. 52(1), pp. 141-149. [XIII] Yang L, Azzopardi B.J, 2007. Phase
split of liquid-liquid two-phase flow at a horisontal T-junction. International Journal of Multiphase Flow. Vol. 33
