i
TUGAS SARJANA
STUDI EKSPERIMENTAL ALIRAN CAMPURAN AIR-CRUDE OIL YANG MELALUI PIPA PENGECILAN MENDADAK HORIZONTAL
BERPENAMPANG LINGKARAN
Diajukan untuk melengkapi tugas dan syarat guna memperoleh gelar Strata-1
Fakultas Teknik Universitas Diponegoro
Disusun Oleh :
FATIH KHAMDANI
L2E007035
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2012
ii
TUGAS SARJANA
Diberikan Kepada : Fatih Khamdani NIM. L2E 007 035
Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Eflita Yohana, M.T. Dosen Co. Pembimbing : Ir. Arijanto, M.T.
Jangka Waktu : 9 bulan
Judul : Studi Eksperimental Aliran Campuran Air-Crude
Oil yang Melalui Pipa Pengecilan Mendadak
Horizontal Berpenampang Lingkaran Isi Tugas : 1. Merancang prototype instalasi uji aliran
2. Mengukur sifat-sifat fisik fluida uji
3. Menguji aliran campuran minyak mentah dan air pada pipa pengecilan mendadak.
4. Menghitung parameter-parameter hasil uji 5. Menganalisis data hasil perhitungan
Semarang, 20 Desember 2012 Pembimbing
Dr. Ir. Eflita Yohana, M.T. NIP. 196204281990012001 Co. Pembimbing
Ir. Arijanto, M.T.
iii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Skripsi/Tesis/Disertasi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
NAMA : Fatih Khamdani
NIM : L2E007035
Tanda Tangan :
iv
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh :
NAMA : Fatih Khamdani
NIM : L2E007035
Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin
Judul Skripsi : Studi Eksperimental Aliran Campuran Air - Crude Oil yang Melalui Pipa Pengecilan Mendadak Horizontal Berpenampang Lingkaran
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro.
TIM PENGUJI
Pembimbing : Dr. Ir. Eflita Yohana, M.T. ( ) Co-Pembimbing : Ir. Arijanto, M.T. ( ) Penguji : Ir. Sugianto, D.E.A. ( ) Penguji : Ir. Bambang Yunianto, M.T. ( )
Semarang, 20 Desember 2012 Ketua Jurusan Teknik Mesin,
Dr. Sulardjaka, ST, MT NIP. 1971042019980210
v
HALAMAN PERNYATAAN
PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR
UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIK
Sebagai civitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Fatih Khamdani
NIM : L2E007035
Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Universitas : Universitas Diponegoro
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Diponegoro Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive Royalty Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:
“STUDI EKSPERIMENTAL ALIRAN CAMPURAN AIR-CRUDE OIL YANG MELALUI PIPA PENGECILAN MENDADAK HORIZONTAL
BERPENAMPANG LINGKARAN”
beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan hak Bebas Royalti/Non-eksklusif ini Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat dan mempublikasikan Tugas Akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya.
Semarang, 20 Desember 2012 Yang menyatakan,
FATIH KHAMDANI NIM. L2E007035
vi
ABSTRAK
Pada industri perminyakan, penentuan instalasi perpipaan merupakan suatu hal yang sangat penting dilakukan pada proses transportasi air-minyak. Belokan, pembesaran maupun pengecilan mendadak, pemasangan katup dan berbagai jenis lainnya walaupun menimbulkan kerugian namun sangat sulit untuk dihindari.
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan visualisasi pola aliran, koefisien rugi serta penurunan tekanan pada pipa pengecilan mendadak dengan rasio diameter 21:16 cm untuk aliran campuran air-crude oil. Variasi yang diberikan berupa penambahan fraksi volume minyak dalam aliran hingga 10% serta laju aliran yang didasarkan pada bukaan katup ½, 1 ½, and 3 ½ putaran. Visualisasi didapatkan dengan alat bantu seperti kamera dan video perekam. Nilai penurunan tekanan dihitung dari data perbedaan tekanan antara pipa besar dan kecil pada pengecilan mendadak yang diukur dengan manometer U. Koefisien rugi pada pengecilan mendadak dihitung dengan menggunakan tiga metode: analisis berdasarkan profil gradient tekanan, penghitungan dengan mempertimbangkan impuls momentum serta analisis terhadap daerah efektif aliran.
Pola aliran yang didapat pada pengujian ini adalah aliran inti tipis (thin core flow). yang menggambarkan inti tipis bergelombang dan tidak seragam pada penampang pipa. Lapisan yang terbentuk dekat dengan dinding pipa juga menunjukkan pergeseran inti ke daerah tengah pipa. Hasil penghitungan penurunan tekanan berkisar antara 7000-22000 Pa. Sedangkan nilai rata-rata koefisien rugi kontraksi berkisar antara 0.3-0.9. Kesimpulan dari penelitian ini adalah bahwa pola aliran, koefisien rugi kontraksi serta penurunan tekanan dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan penambahan fraksi volume crude oil dalam aliran.
Kata kunci: pengecilan mendadak, air - crude oil, penurunan tekanan, koefisien rugi kontraksi
vii
ABSTRACT
In the petroleum industry, the proper piping installation is very important in the process of oil-water mixture flow transportation. Channel bends, sudden enlargement, sudden contraction, provision a valves and all other types would be hard though cause harm avoided.
This research was carried out to obtain the flow pattern visualization, contraction loss coefficient and pressure drop in the pipes sudden contraction with the diameter ratio 21:16 cm for the flow of crude oil-water mixture. The variations are the addition of the oil volume fraction up to 10% and the flow rate based on valve opening ½, 1 ½, and 3 ½ round. The visualization was obtained by using tools such as camera and video recorders. Pressure drop values was calculated by using the pressure differences of large and small pipes data in the test section was measured using a manometer tube. While the values of contraction loss coefficient is calculated by three methods: The analysis based on fully developed pressure gradient profile, impuls momentum considerations and effective flow area analysis.
The photographs showed that the patterns are thin core flow. This happens due to emulsification of water and oil in high velocity stream occurs at the center of the pipe. This pattern reveals that the thin core has waviness and non-uniformity in the cross-section. The clearly visible water film at the wall also denotes the shift of the core to the central region of the pipe. The calculation result of the pressure drop values ranged between 7000-22000 Pa. While the average of contraction loss coefficient values ranged between 0.3-0.9. The visualization of flow patterns, pressure drop and contraction loss coefficient in sudden contraction pipe are influenced by diameter ratio of sudden contraction pipe, flow rate and volume ratio of water-oil in flow.
Keywords: sudden contraction, water-crude oil, pressure drop, contraction loss coefficient
viii
HALAMAN PERSEMBAHAN
Atas nama kesuksesan, kupersembahkan ini teruntuk:
Ibunda tercinta atas limpahan kasih sayang yang telah diberikan selama ini, doa yang mengiringi perjuangan serta air mata yang menjadi penguat tekad menggapai segala mimpi. Terima kasih mendalam dari ananda. Semoga Bunda disayang Allah SWT. Kaulah pahlawanku, senantiasa ada di hatiku.
Ayahanda tercinta atas perjuangan yang senantiasa dilakukan, nasihat yang menegarkan serta doa yang menguatkan perjuangan hidup ini. Terima kasih mendalam dari ananda. Semoga rahmat Allah SWT senantiasa membersamai Ayah.
Kakak dan adik serta anggota keluarga besar semuanya atas dukungan dan doa yang telah diberikan.
Para guru yang telah mendidik dan memberikan ilmunya selama ini. Semoga keberkahan ilmu menjadi kebaikan hidup.
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Allah SWT atas segala rahmat, berkat dan karunia-Nya penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan sebaik-baiknya. Tugas Akhir yang berjudul “Studi Eksperimental Aliran Campuran Air –
Crude Oil yang Melalui Pipa Pengecilan Mendadak orizontal Berpenampang
Lingkaran” ini dimaksudkan untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan Pendidikan Tingkat Sarjana Strata Satu (S1) pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Diponegoro.
Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan rasa hormat dan terimakasih setulus-tulusnya kepada:
1. Dr. Ir. Eflita Yohana, M.T. selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan bimbingan, pengarahan dan masukan berharga kepada penulis sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik dan lancar.
2. Ir. Arijanto, M..T. selaku Dosen Co-Pembimbing yang telah turut serta memberikan bimbingan, pengarahan dan masukan berharga kepada penulis sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik dan lancar.
3. Bapak Subroto, A.Md. yang telah banyak memberikan bantuan dalam pelaksanakan pengujian di Laboratorium Termofluida.
4. Sdr. Amri, Sdr. Firman, dan Sdr. Franklin selaku partner selama pembuatan Tugas Akhir ini yang telah berkerja sama dengan baik dan selalu memberikan semangat serta pemikiran-pemikiran yang positif yang membangun.
5. Semua pihak yang telah memberikan dukungan dan bantuan dengan tulus ikhlas. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu. mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari semua pihak. Semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat dan memperkaya khasanah ilmu pengetahuan.
Semarang, Desember 2012
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ……….. i
HALAMAN TUGAS SARJANA ……….. ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ….……….. iii
HALAMAN PENGESAHAN …...………. iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ………. v
ABSTRAK ……….. vi
ABSTRACT ………..………. vii
HALAMAN PERSEMBAHAN …...……….. viii
KATA PENGANTAR ..……….. ix
DAFTAR ISI ……….………. x
DAFTAR GAMBAR ……….. xiii
DAFTAR TABEL ….………. xv
DAFTAR LAMPIRAN ….………. xvi
NOMENKLATUR ………... xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ………... 1 1.2 Tujuan ………..………... 2 1.3 Batasan Masalah …..………... 2 1.4 Metodologi Penelitian ..………... 3 1.5 Sistematika Penulisan …..………... 4
BAB II DASAR TEORI 2.1 Sifat Dasar Fluida………. 5
2.1.1 Berat Jenis ……… 5
2.1.2 Kerapatan ……....………. 6
2.1.3 Kerapatan Relatif ………. 6
xi
2.1.5 Temperatur ………... 9
2.1.6 Kekentalan ………... 9
2.2 Aliran Fluida Dalam Pipa ……….………... 12
2.2.1 Aliran Laminar dan Turbulen dalam Pipa ………….……….. 13
2.2.1.1 Aliran Laminar ……….. 15
2.2.1.2 Aliran Turbulen ………... 18
2.2.2 Persamaan Kontinuitas ……… 20
2.2.3 Persamaan Dasar Bernoulli ………. 21
2.2.4 Aliran Berkembang Penuh ……….. 23
2.2.5 Distribusi Kecepatan, Tegangan Geser dan Kapasitas Aliran …….….. 25
2.3 Aliran Fluida Air-Minyak yang Mengalir Melalui Pipa Sudden Contraction..………. 26
2.3.1 Pola Aliran Air-Minyak yang Mengalir pada Pipa Horisontal ..………. 27
2.3. 2.3.1.1 Klasifikasi Pola Aliran ..………. 27
2.3. 2.3.1.2 Parameter yang Memengaruhi Pola Aliran ..………. 32
2.3.2 Rugi-Rugi Aliran 33
2.3. 2.3.2.1 Kerugian Mayor ……....………. 33
2.3. 2.3.2.2 Kerugian Minor ..………..………. 37
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Diagram Alir ………..……… 45
3.2 Variabel Penelitian ………...……… 46
3.3 Peralatan Uji ..……… 46
3.3.1 Instalasi Pengujian ..………... 47
3.3.2 Pompa Sentrifugal ..……… 48
3.3.3 Tangki Penampung dan Alat Penyampur ..……… 48
3.3.4 Seksi Uji ..………... 49
3.3.5 Injeksi ..………... 49
3.3.6 Alat Ukur dan Kontrol ..………. 49
xii
3.5 Prosedur Pengujian ………... 51
BAB IV ANALISIS DATA DAN PENGHITUNGAN 4.1 Analisis Data ……….. 53
4.1.1 Hasil Pengujian ………..……… 54
2.3. 4.1.1.1 Visualisasi Pola Aliran .……… 55
2.3. 4.1.1.2 Data Pengukuran pada Manometer U ……….. 56
4.1.2 Pengolahan Data ….……… 57
4.2 Pembahasan ………..……….. 61
4.2.1 Visualisasi Pola Aliran .……….. 61
4.2.2 Penurunan Tekanan pada Pipa Pengecilan Mendadak ….……… 62
4.2.3 Koefisien Rugi Kontraksi ………..………….………... 64
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ……… 67
5.1 Saran ……….. 67
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Tekanan pada kedalaman h dalam cairan ………. 7 Gambar 2.2 Manometer U ……… 8 Gambar 2.3 Perubahan bentuk akibat dari penerapan tegangan geser ……….. 10 Gambar 2.4 Perbandingan laju regangan geser terhadap tegangan geser ………….. 11 Gambar 2.5 Aliran laminar (atas) dan aliran turbulen (bawah) ………. 13 Gambar 2.6 Percobaan Reynold tentang Aliran laminar (a) dan aliran turbulen (b) . 14 Gambar 2.7 Gerakan sebuah elemen fluida dalam sebuah pipa silindris ………….. 15 Gambar 2.8 Diagram benda bebas dari sebuah silinder fluida ……….. 16 Gambar 2.9 Distribusi tegangan geser dalam fluida dalam pipa
(aliran laminar atau turbulen) dan profil kecepatan khusus ………….. 17 Gambar 2.10 Time-averaged, , dan fluctuating, u’, deskripsi parameter untuk ..…… 18 Gambar 2.11 Karakteristik profil kecepatan aliran laminar dan aliran turbulen …… 20 Gambar 2.12 Penampang saluran silinder membuktikan persamaan kontinuitas …... 21 Gambar 2.13 Profil saluran Bernouli ………. 22 Gambar 2.14 Perubahan energi pada pada pompa ……… 23 Gambar 2.15 Daerah masuk, aliran berkembang, dan aliran berkembang penuh dalam sistem pipa ……… 24 Gambar 2.16 Pola aliran mixed (M), stratified (S) dan bubble (B) untuk laju aliran Tertentu ……… 28 Gambar 2.17 Pola aliran air dan minyak dengan viskositas 16,8 mPa pada berbagai kecepatan minyak, untuk kecepatan aliran air konstan rendah 0,03 m/s 29 Gambar 2.18 Pola aliran air dan minyak dengan viskositas 16,8 mPa pada berbagai kecepatan minyak, untuk kecepatan aliran air konstan 0,21 m/s …….. 30 Gambar 2.19 Pola aliran air dan minyak dengan viskositas 16,8 mPa pada berbagai
kecepatan minyak, untuk kecepatan aliran air konstan tinggi 0,03 m/s 30 Gambar 2.20 Gambar fotografi aliran air-minyak akibat pipa sudden contraction (a)
dan sudden expansion (b) pada bagian upstream dan downstream ….. 31 Gambar 2.21 Diagram Moody ……….………….. 36
xiv Gambar 2.22 Koefisien kerugian berbagai bentuk ujung masuk pipa (inlet) :
(a) reentrant, K = 0,8, (b) sharp edged, K = 0,5, (c) slightly rounded, K = 0,2 dan (d) well rounded, K = 0,04
37
Gambar 2.23 Karakter aliran di belokan dan koefisien kerugian yang terkait ……... 38
Gambar 2.24 Koefisien kerugian pada perubahan pipa sudden expansion ………… 40
Gambar 2.25 Koefisien kerugian pada perubahan pipa sudden contraction ……….. 40
Gambar 2.26 Skema variasi tekanan sepanjang instalasi perpipaan ………... 42
Gambar 2.27 Sudden contraction ………. 43
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ……… 46
Gambar 3.2 Instalasi pengujian ………... 47
Gambar 4.1 Grafik penurunan tekanan pada pipa pengecilan mendadak dengan variasi laju aliran dan penambahan fraksi volume crude oil …..…... laju aliran dan penambahan fraksi volume minyak 62 62 Gambar 4.2 Grafik penurunan tekanan dengan variasi laju aliran dan penambahan fraksi volume crude oil …..……….. laju aliran dan penambahan fraksi volume minyak 62 63 Gambar 4.3 Perbandingan nilai gradient tekanan dari hasil eksperimen ………….. 64
Gambar 4.4 Perbandingan hasil eksperimen tentang nilai koefisien rugi kontraksi k 65 Gambar 4.5 Nilai koefisien rugi kontraksi k dengan pendekatan metode gradient tekanan ………... 66
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Data eksperimen Russel dkk. ………. 28 Tabel 2.2 Data eksperimen Charles dkk. ……… 29 Tabel 2.3 Kekasaran ekivalen untuk berbagai material pipa ……… 36 Tabel 2.4 Nilai koefisien kerugian minor K berbagai komponen sistem perpipaan … 39 Tabel 3.1 Spesifikasi Pompa ……….. 48 Tabel 3.2 Sifat fisik air ………... 50 Tabel 3.3 Sifat fisik crude oil ………. 51 Tabel 4.1 Data hasil penghitungan sifat-sifat fisik fluida campuran air - crude oil … 54 Tabel 4.2 Gambar fotografi pola aliran pada pipa pengecilan mendadak …………... 55 Tabel 4.3 Data hasil pengamatan manometer U ……… 56 Tabel 4.4 Nilai rata-rata koefisien rugi kontraksi k……… 66
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A Instalasi Percobaan LAMPIRAN B Visualisasi Aliran
LAMPIRAN C Tabel Penghitungan Lengkap LAMPIRAN D Pembuktian Rumus
xvii
NOMENKLATUR
Simbol Definisi Satuan
w Air -
o Crude oil -
m Campuran air-crude oil -
m Massa (kg)
ρ Kerapatan/densitas (kg/m3)
ρmer Densitas mercury (kg/m3)
Volume (m3)
SG Specific gravity -
W Berat (N)
Berat jenis (N/m3)
g Percepatan gravitasi (m/s2)
F Gaya, gaya pembebanan (N)
P Tekanan (Pa)
A Luas penampang (m2)
h Kedalaman (m)
ph Tekanan hidrostatis (N)
u/y Gradien kecepatan (s-1)
Viskositas dinamik (Pa s)
Tegangan geser (N/m2)
Viskositas kinematik (m2/s)
V Kecepatan rata-rata, kecepatan aliran fluida (m/s)
D Diameter pipa, diameter impeler (m)
Re Bilangan Reynold -
Laju massa fluida (kg/s)
Q Debit aliran/kapasitas aliran (m3/s)
p/ρg Head tekanan (m)
xviii
z Head ketinggian/head elevasi (m)
Pgauge Tekanan Gauge (Pa)
Patm Tekanan atmosfer (Pa)
Ep Energi potensial (J)
Ek Energi kinetik (J)
P Energy tekanan (J)
H Head (m)
C Konsentrasi -
p Penurunan tekanan (Pa)
f Faktor gesekan -
hl Rugi head (m)
K Koefisien rugi (m)
d1 Diameter pipa kecil (m)
d2 Diameter pipa besar (m)
