STUDI EKSPERIMENTAL MENGENAI SUB-REGIME ALIRAN SLUG DUA FASA AIR-UDARA PADA PIPA HORIZONTAL. Abstract

Transkripsi

1 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 1 1 Departemen 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. 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 293

2 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 masingmasing 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. x Pipe Length (L) Separator Mixer Lampu Air Flow Meter Valve By-Pass Liquid Tank Pump Flow Meter Valve Air regulator Kompressor Layar High Speed Camera PC ADC + - Constant Current power Source Gambar 1. Diagram alat penelitian Amplifier With high Impedance Ground Liquid 294

3 J L [m/s] Proceeding Adapun prinsip kerja dari CECM di dasarkan atas perbedaan tahanan pada cairan dan gas. Tahanan listrik aliran dua fasa R TP, dinyatakan sebagai berikut: (J L ) yang digunakan mulai dari 0,2 m/s sampai dengan 0,77 m/s dan kecepatan superfisial udara (J G ) divariasi mulai dari 0,7 m/s sampai dengan 8,5 m/s. (1) 10 BUBBLY Dimana V L adalah penurunan tegangan saat liquid yang mengalir melalui pipa. Dimana R G dan R L adalah tahanan listrik fase gas dan liquid. Liquid hold-up (η) diekspresikan dalam unit panjang (V TP ) pada saat arus konstan I 0 dicatukan. Untuk kasus di mana nilai R G >> R L didapat: PLUG STRATIFIED SLUG ANNULAR WAVY (2) Jika tahanan listrik dan penurunan tegangan berturut-turut sebagai R TP0 dan V TP0 saat hold-up diketahui nilainya, η 0 dan arus listrik I 0 dinyatakan dengan: (3) Dengan mengeliminasi V L pada dua persamaan di atas maka diperoleh persamaan berikut: (4) Jika V TP diukur dibawah kondisi dari nilai yang diketahui (η 0, V L atau V TP0 ) 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 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 ratarata 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 J G [m/s] 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 berada pada nilai antara 0,90-0,

4 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 3. Contoh visualisasi dan liquid hold-up aliran slug and plug, J G = 0,7 m/s dan J L =0,31 m/s. Gambar 5. Contoh visualisasi dan liquid hold-up aliran highly aerated slug, J G = 2,83 m/s dan J L =0,31 m/s. Gambar 4. Contoh visualisasi dan liquid hold-up aliran less aerated slug, J G = 1,26 m/s dan J L =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. Contoh visualisasi dan liquid hold-up aliran highly aerated slug, J G = 8,5 m/s dan J L = 0,31 m/s. 296

5 Tabel 1 menunjukkan nilai slug liquid hold-up untuk setiap matriks data penelitian. Karakteristik slug liquid hold-up untuk setiap aliran sub-regime mempunyai karekteristik tertentu. Nilai slug liquid holdup 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 J G sebagai aksis horizontal dan J L 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 J G kecil. Pola aliran less aerated slug mendominasi daerah dengan J G rendah hingga menengah dan J L rendah hingga tinggi. Pola aliran highly aerated slug mendominasi daerah dengan nilai J G menengah hingga tinggi dan nilai J L rendah hingga tinggi. Sementara pola aliran slug and wavy pada J G tinggi dan J L rendah. Tabel 1 Nilai rata-rata slug liquid holdup. 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 Gambar 7. Peta pola sub-regime aliran slug. [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 [2] J. Villarreal, D. Laverde, C. Fuentes, 2006, Carbon-steel corrosion in multiphase slug flow and CO2. Corrosion Science, No. 48, pp [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 [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

6 [5] Lin, P.Y. and Hanratty, T.J., E Effect of Pipe Diameter on flow patterns for air-water flow in horizontal. Int. J. Multiphase Flow, Vol. 13, No. 4,pp [6] Speeding, P.L. and Spence, D.R.., Flow regimes in two-phase gasliquid flow. Int. J. Multiphase Flow, Vol. 19, pp [7] Thaker, J. and Banerjee, J Characterization of two-phase slug flow sub-regimes using flow visualization. Petroleum Science and Engineering Journal, 135(2015), [8] Fukano, T., 1998, Measurement of time varying thickness of liquid film flowing with high speed gas flow by a constant electric current method (CECM), Nuclear Engineering and Design, pp