Departemen Teknik Mesin dan Industri FT UGM
ISBN : 978-602-73461-4-7
STUDI EKSPERIMENTAL MENGENAI SUB-REGIME ALIRAN SLUG
DUA FASA AIR-UDARA PADA PIPA HORIZONTAL
Experimental Study on The Sub-Regime of Air-Water Slug Two-Phase Flow
in a Horizontal Pipe
Okto Dinaryanto
1,2, Rochimah Sulistiani Sarworo
1, Akmal Irfan Majid
1, Indarto
1,
Deendarlianto
11Departemen Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada, Jl. Grafika No. 2, Yogyakarta 55281, Indonesia. 2
Jurusan Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto, Jl. Janti Blok R Lanud Adisutjipto, Yogyakarta 55198, Indonesia.
Email: oktodinaryanto@yahoo.co.id
Abstract
Two-phase flow of liquid-gas are commonly found in various industrial applications. Slug flow is one type of two-phase flow that gets more attention because of its unique characteristics. One of them is high fluctuation of local pressure and variation in velocity of the liquid and gas. The presence of slug flow should be avoided because it causes structural damage due to resonance, corrosion and pipes blast.
This research was conducted by using horizontal transparent acrylic pipe with inner diameter of 26 mm with a variation on the superficial velocity of water between 0,2 m/s and 0,77 m/s and superficial velocity of air between 0,7 m/s and 8,5 m/s. The slug flow is observed using a high speed video camera and extracted into pieces of image. Visualization method is used to determine the visual characteristics and slug frequency in each slug flow sub-regime. In addition, Constant Electric Current Method (CECM) is also used to determine the magnitude of slug liquid hold-up. It is then used to support the visual analysis.
The result of the visual observation indicates that the slug flow can be divided into four flow sub-regimes, namely: less aerated slug flow, slug and plug flow, highly aerated slug flow and slug and wavy flow. Less aerated slug flow is a pattern of flow with less number of bubbles in the liquid slug phase. Slug and plug flow is characterized by the intermittent appearance of slug and plug. This flow pattern is a transition between plug flow and slug flow. Highly aerated slug flow is a pattern that shows continuous aeration of liquid slugs. In this flow, a thin film of dispersed bubble is observed in the liquid slug tail at the top of the pipe. Slug and wavy flow is a highly aerated slug flow with wavy interface.
Keywords: slug flow sub-regime, flow pattern map, CECM.
1. Pendahuluan
Aliran dua fase cair-gas banyak ditemui pada berbagai aplikasi industri antara lain proses produksi minyak dan gas di sumur, tranportasi fluida menggunakan pipa, proses produksi dan transportasi uap pada pembangkit listrik, alat penukar kalor, proses pada industri kimia, proses pengolahan minyak, reaktor nuklir, sistem refrigrasi, dll. Aliran slug merupakan salah satu jenis aliran dua fase yang mendapat perhatian lebih karena memiliki beberapa karakteristik yang unik. Salah satu bahaya pada aliran slug adalah frekuensi aliran ini dapat beresonansi dengan struktur perpipaan dan menyebabkan kerusakan parah [1]. Selain itu momentum yang besar pada kantong cairan
tersebut akan menyebabkan gaya yang besar ketika melewati siku, sambungan-T, katup, sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada struktur. Pada kasus produksi dan tranportasi minyak kehadiran aliran slug dapat menimbulkan dan meningkatkan kecepatan korosi [2]. Oleh karena itu perilaku aliran slug perlu dipelajari dan dianalisis supaya nantinya dapat dikontrol dalam rangka memperoleh jaringan perpipaan yang aman.
Beberapa peta pola aliran horizontal dan mekanisme transisinya sudah dikemukakan oleh beberapa peneliti [3-6]. Peta-peta tersebut memperlihatkan adanya daerah pola aliran slug dan transisinya ke daerah lain yang bervariasi berdasarkan
pada diameter pipa, viskositas fluida, dan kondisi aliran umum lainnya. Namun demikian pada aliran slug terdapat banyak struktur antarmuka yang kompleks sehingga pada umumnya peta-peta tersebut belum menampilkan batas transisi antara masing-masing sub-regime pada slug [7]. Dengan mempelajari
flow pattern map, tipe aliran yang mengalir dapat
diketahui dengan menyesuaikan data penelitian ke dalam flow pattern map tersebut. Untuk menentukan flow pattern dapat menggunakan data-data berupa karakteristik fluktuasi tekanan, rugi tekanan, liquid
holdup dan pengamatan visual.
Untuk itu perlu penelitian mendalam tentang pola sub-regime pada aliran slug karena peran pentingnya dalam industri perminyakan dan industri lainnya. Tujuan utama dari penelitian ini adalah mendapatkan pengetahuan yang mendalam tentang struktur antarmuka aliran slug pada pipa horizontal secara studi eksperimen menggunakan metode visualisasi dan
Constant Electric Current Method (CECM) untuk
menentukan sub-regime aliran slug.
2. Metode
Penelitian ini menggunakan fasilitas Horizontal
Two-Phase Flow Facility (HORTOFF) yang ada di
Laboratorium Mekanika Fluida, Departemen Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada seperti yang terlihat pada Gambar 1. Pada percobaan ini digunakan pipa akrilik dengan total panjang 9 meter untuk pipa dengan diameter dalam 26 mm. Penggunaan pipa akrilik bertujuan agar pengamatan visual dapat dilakukan dengan mudah. Selain itu bahan akrilik yang merupakan plastik yang memiliki nilai
kekasaran permukaan sangat rendah. Cairan pada tangki inlet dialirkan menuju seksi uji menggunakan pompa. Dua buah flowmeter air jenis rotameter merek omega kapasitas 10 GPM dengan akurasi 2,5% berfungsi untuk mengukur debit aliran air. Sementara untuk mengalirkan udara digunakan kompresor. Tiga buah flowmeter udara merek dwayer kapasitas 200 SCFH, 600 SCFH dan 1600 SCFH dengan akurasi 3% yang berfungsi sebagai pengukur debit udara. Kedua fluida masuk melalui mixer, mengalir pada pipa, dan keluar melalui separator. Air ditampung oleh tangki outlet untuk disirkulasikan lagi ke tangki inlet.
Pengamatan visual dilakukan di depan correction
box, yaitu pada jarak 180D - 210D dari mixer untuk
memastikan bahwa aliran yang terbentuk sudah fully
developed. Video aliran slug yang direkam dengan
menggunakan kamera video kecepatan tinggi dan diolah dengan metode visualisasi serta dikelompokkan ke sub-regime yang sesuai. Format file video (.cine) diekstrak menjadi gambar-gambar menggunakan aplikasi bawaan dari kamera video kecepatan tinggi, yaitu Phantom Camera Control Application.
Untuk mengukur liquid hold-up digunakan sensor
Constant Electric Current Method (CECM) [8].
Sensor CECM terdiri dari sepasang elektroda kuningan dengan tebal 1 mm dan jarak antar elektroda 5 mm. Pada ujung-ujung seksi uji dipasang elektroda yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik konstan yang berasal dari power suplai. Sinyal liquid hold-up dari sensor dikuatkan dengan amplifier, kemudian diubah oleh Analog to Digital Converter (ADC) agar dapat dibaca oleh komputer.
Pump Flow Meter Valve Liquid Tank By-Pass Mixer Flow Meter Valve Air regulator Separator Air Liquid Kompressor Pipe Length (L) x Lampu Layar High Speed Camera ADC Amplifier With high Impedance + -Constant Current power Source PC Ground 215 215 215 215
Departemen Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN : 978-602-73461-4-7
Adapun prinsip kerja dari CECM didasarkan atas perbedaan tahanan pada cairan dan gas. Tahanan listrik aliran dua fasa RTP,
dinyatakan sebagai berikut:
(1)
Dimana VL adalah penurunan tegangan saat
liquid yang mengalir melalui pipa. Dimana
RG dan RL adalah tahanan listrik fase gas dan
liquid. Liquid hold-up (η) diekspresikan dalam unit panjang (VTP) pada saat arus
konstan I0 dicatukan. Untuk kasus di mana
nilai RG >> RL didapat:
(2)
Jika tahanan listrik dan penurunan tegangan berturut-turut sebagai RTP0 dan VTP0 saat
hold-up diketahui nilainya, η0 dan arus
listrik I0 dinyatakan dengan:
(3)
Dengan mengeliminasi VL pada dua
persamaan di atas maka diperoleh persamaan berikut:
(4)
Jika VTP diukur dibawah kondisi dari nilai
yang diketahui (η0, VL atau VTP0) maka kita
dapat menentukan hold-up (η).
Pada penelitian ini pengambilan data liquid hold-up (𝜂) menggunakan metode CECM (constant electric current method) selama 30 detik, dimana setiap detiknya dilakukan pengambilan data sebanyak 500 data sehingga didapatkan 15000 data liquid
hold-up. Liquid hold-up adalah besaran
tanpa satuan yang didapatkan dari rasio antara tegangan yang terbaca saat pipa dialiri air secara penuh dengan tegangan yang terbaca saat pipa dialiri aliran dua fase. Untuk menentukan nilai liquid hold-up ketika terjadi slug, maka perlu dicari rata-rata puncak dari grafik time series liquid
hold-up.
Gambar 2 menunjukkan letak matriks data penelitian pada peta aliran Mandhane dkk. [3]. Variasi kecepatan superfisial air
(JL) yang digunakan mulai dari 0,2 m/s sampai dengan 0,77 m/s dan kecepatan superfisial udara (JG) divariasi mulai dari 0,7 m/s sampai dengan 8,5 m/s. 0.001 0.01 0.1 1 10 0.1 1 10 100 JL [m/ s] JG[m/s] SLUG PLUG BUBBLY STRATIFIED WAVY ANNULAR
Gambar 2. Kisaran data penelitian pada peta Mandhane.
3. Hasil dan Pembahasan
Penelitian dilakukan dengan mengamati secara visual karakteristik struktur internal sub-regime aliran slug dua fase air-udara pada pipa horizontal dengan diameter 26 mm. Dari hasil percobaan didapatkan empat pola sub-regime dari aliran slug, yaitu: aliran less aerated slug, aliran slug and plug, aliran highly aerated
slug, dan aliran slug and wavy.
Gambar 3 menunjukkan aliran slug and
plug, sub-regime ini ditandai dengan
munculnya slug dan plug pada waktu yang berselang. Pola aliran ini merupakan transisi antara aliran plug dan slug. Sehingga pada pola aliran ini masih terlihat liquid slug tanpa dispersed bubble, meskipun pada beberapa liquid slug yang lain sudah mulai muncul bubble. Hal ini didukung dengan nilai slug liquid hold-up yang hampir mendekati 1.
Gambar 4 menunjukkan aliran less
aerated slug, pada sub-regime ini terdapat
sedikit gelembung pada fase cair slug. Sehingga aerasi pada liquid slug masih rendah. Hal ini diperkuat dengan nilai slug
liquid hold-up yang relatif tinggi, yaitu
Gambar 3. Contoh visualisasi dan liquid
hold-up aliran slug and plug, JG= 0,7 m/s dan JL=0,31 m/s.
Gambar 4. Contoh visualisasi dan liquid
hold-up aliran less aerated slug, JG= 1,26 m/s dan JL=0,31 m/s.
Gambar 5 menunjukkan aliran highly
aerated slug, sub-regime ini menunjukkan
aerasi secara terus menerus pada cairan slug. Pada aliran ini juga terlihat bahwa dispersed bubble membentuk lapisan tipis pada daerah slug tail di bagian atas pipa. Sehingga aerasi pada liquid slug cukup besar. Hal ini diperkuat dengan nilai slug liquid hold-up yang relatif rendah, yaitu berada pada nilai antara 0,4 - 0,85.
Gambar 6 menunjukkan aliran slug and
wavy, sub-regime ini ditandai dengan
adanya gelombang pada batas antarmuka di daerah sebelum dan setelah slug. Hal ini diperkuat dengan munculnya puncak-puncak kecil sebelum puncak utama pada grafik
time series liquid hold up yang menunjukkan bahwa pada pola aliran slug
and wavy terdapat gelombang-gelombang
natural yang mengiringi liquid slug.
Gambar 5. Contoh visualisasi dan liquid
hold-up aliranhighly aerated slug, JG= 2,83 m/s dan JL=0,31 m/s.
Gambar 6. Contoh visualisasi dan liquid
hold-up aliranhighly aerated slug, JG= 8,5 m/s dan JL= 0,31 m/s.
Departemen Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN : 978-602-73461-4-7
Tabel 1 menunjukkan nilai slug liquidhold-up untuk setiap matriks data penelitian.
Karakteristik slug liquid hold-up untuk setiap aliran sub-regime mempunyai karekteristik tertentu. Nilai slug liquid
hold-up akan naik sejalan dengan naiknya
kecepatan superfisial udara yang berarti akan mengkibatkan makin banyaknya aerasi pada liquid slug.
Gambar 7 menunjukkan peta pola aliran menggunakan JG sebagai aksis horizontal dan JL sebagai aksis vertikal. Pada peta pola aliran tersebut terdapat 32 titik data yang menunjukkan pola aliran. Secara garis besar pola aliran slug and plug mendominasi daerah dengan nilai JG kecil. Pola aliran less aerated slug mendominasi daerah dengan JG rendah hingga menengah dan JL rendah hingga tinggi. Pola aliran highly aerated slug mendominasi daerah
dengan nilai JG menengah hingga tinggi dan nilai JL rendah hingga tinggi. Sementara pola aliran slug and wavy pada JG tinggi dan JL rendah.
Tabel 1 Nilai rata-rata slug liquid
hold-up.
Gambar 7. Peta pola sub-regime aliran slug.
4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang yang telah dipaparkan sebelumnya, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut :
1. Hasil pengamatan secara visual dan didukung data slug liquid hold-up
menunjukkan bahwa aliran slug dapat dibagi menjadi empat sub-regime, yaitu: aliran less
aerated slug, aliran slug and plug, aliran highly aerated slug, dan aliran slug and wavy. Pola aliran less aerated slug
merupakan pola aliran dengan sedikit gelembung pada fase cair slug. Pola aliran
slug and plug ditandai dengan munculnya slug dan plug pada waktu yang berselang.
Pola aliran ini merupakan transisi antara aliran plug dan slug. Pola aliran highly
aerated slug adalah pola aliran yang
menunjukkan aerasi secara terus menerus pada cairan slug. Pada aliran ini juga terlihat bahwa dispersed bubble membentuk lapisan tipis pada daerah slug tail di bagian atas pipa. Pola aliran slug and wavy adalah pola aliran highly aerated slug yang batas antarmukanya bergelombang
2. Dari peta aliran terlihat bahwa aliran pengaruh kecepatan superfisial udara dan air berpengaruh signifikan terhadap jenis sub regime yang terbentuk.
Daftar Pustaka
[1] P.M. Ujang, C.J. Lawrence, C.P. Hale, G.F. Hewitt, 2006, “Slug Initiation and Evolution in Two-Phase Horizontal Flow”, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 32, pp. 527-552. [2] J. Villarreal, D. Laverde, C. Fuentes, 2006, “Carbon-steel corrosion in multiphase slug flow and CO2”. Corrosion Science, No. 48, pp. 2363– 2379.
[3] Mandhane, J.M., Gregory, G.A., Aziz, K., 1974, A Flow Pattern Map For GasLiquid Flow In Horizontal And Inclined Pipes. Int. J. of Multiphase Flow, Vol. 1, pp. 537-553.
[4] Y. Taitel and A.E. Dukler, 1976, “A Model for Predicting Flow Regime Transitions in Horizontal and Near Horizontal Gas-Liquid Flow”, AIChE Journal, Vol. 22, No. 1, pp. 47-55.
[5] Lin, P.Y. and Hanratty, T.J., 1987. E Effect of Pipe Diameter on flow patterns for air-water flow in horizontal. Int. J. Multiphase Flow, Vol. 13, No. 4 ,pp. 549-563.
[6] Speeding, P.L. and Spence, D.R.., 1993. Flow regimes in two-phase gas-liquid flow. Int. J. Multiphase Flow, Vol. 19, pp. 245-280.
[7] Thaker, J. and Banerjee, J. 2015. Characterization of two-phase slug flow sub-regimes using flow visualization. Petroleum Science and Engineering Journal, 135(2015), 561– 576.
