TUGAS SARJANA STUDI EKSPERIMENTAL ALIRAN CAMPURAN AIR-CRUDE OIL YANG MELALUI PIPA PENGECILAN MENDADAK HORIZONTAL BERPENAMPANG LINGKARAN

Transkripsi

1 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 L2E JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2012 i

2 TUGAS SARJANA Diberikan Kepada Dosen Pembimbing Dosen Co. Pembimbing Jangka Waktu Judul Isi Tugas : Fatih Khamdani NIM. L2E : Dr. Ir. Eflita Yohana, M.T. : Ir. Arijanto, M.T. : 9 bulan : Studi Eksperimental Aliran Campuran Air-Crude Oil yang Melalui Pipa Pengecilan Mendadak Horizontal Berpenampang Lingkaran : 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 Co. Pembimbing Ir. Arijanto, M.T. NIP ii

3 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 : L2E Tanda Tangan : Tanggal : Desember 2012 iii

4 HALAMAN PENGESAHAN Skripsi ini diajukan oleh : NAMA : Fatih Khamdani NIM : L2E 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 iv

5 HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIK Sebagai civitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama NIM Jurusan/Program Studi Fakultas Universitas : Fatih Khamdani : L2E : Teknik Mesin : Teknik : 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. L2E v

6 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 Pa. Sedangkan nilai rata-rata koefisien rugi kontraksi berkisar antara 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 vi

7 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 Pa. While the average of contraction loss coefficient values ranged between 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 vii

8 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. viii

9 KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Allah SWT atas segala rahmat, berkat dan karunia-nya penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan sebaikbaiknya. 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 Penulis ix

10 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL.. HALAMAN TUGAS SARJANA.. HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS... HALAMAN PENGESAHAN.... HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI. ABSTRAK.. ABSTRACT... HALAMAN PERSEMBAHAN..... KATA PENGANTAR.... DAFTAR ISI.. DAFTAR GAMBAR.. DAFTAR TABEL.. DAFTAR LAMPIRAN.. NOMENKLATUR... i ii iii iv v vi vii viii ix x xiii xv xvi xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tujuan Batasan Masalah Metodologi Penelitian Sistematika Penulisan BAB II DASAR TEORI 2.1 Sifat Dasar Fluida Berat Jenis Kerapatan Kerapatan Relatif Tekanan... 6 x

11 2.1.5 Temperatur Kekentalan Aliran Fluida Dalam Pipa Aliran Laminar dan Turbulen dalam Pipa Aliran Laminar Aliran Turbulen Persamaan Kontinuitas Persamaan Dasar Bernoulli Aliran Berkembang Penuh Distribusi Kecepatan, Tegangan Geser dan Kapasitas Aliran Aliran Fluida Air-Minyak yang Mengalir Melalui Pipa Sudden Contraction Pola Aliran Air-Minyak yang Mengalir pada Pipa Horisontal Klasifikasi Pola Aliran Parameter yang Memengaruhi Pola Aliran Rugi-Rugi Aliran Kerugian Mayor Kerugian Minor BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Variabel Penelitian Peralatan Uji Instalasi Pengujian Pompa Sentrifugal Tangki Penampung dan Alat Penyampur Seksi Uji Injeksi Alat Ukur dan Kontrol Fluida Uji xi

12 3.5 Prosedur Pengujian BAB IV ANALISIS DATA DAN PENGHITUNGAN 4.1 Analisis Data Hasil Pengujian Visualisasi Pola Aliran Data Pengukuran pada Manometer U Pengolahan Data Pembahasan Visualisasi Pola Aliran Penurunan Tekanan pada Pipa Pengecilan Mendadak Koefisien Rugi Kontraksi BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran.. 67 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

13 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 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 xiii

14 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 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 Gambar 2.27 Sudden contraction. 43 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian 46 Gambar 3.2 Instalasi pengujian Gambar 4.1 Grafik penurunan tekanan pada pipa pengecilan mendadak dengan variasi laju aliran dan penambahan fraksi volume crude oil Gambar 4.2 Grafik penurunan tekanan dengan variasi laju aliran dan penambahan fraksi volume crude oil 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 xiv

15 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 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 Tabel 4.3 Data hasil pengamatan manometer U 56 Tabel 4.4 Nilai rata-rata koefisien rugi kontraksi k 66 xv

16 DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN A Instalasi Percobaan LAMPIRAN B Visualisasi Aliran LAMPIRAN C Tabel Penghitungan Lengkap LAMPIRAN D Pembuktian Rumus xvi

17 NOMENKLATUR Simbol Definisi Satuan w Air - o Crude oil - m Campuran air-crude oil - m Massa (kg) ρ Kerapatan/densitas (kg/m 3 ) ρ mer Densitas mercury (kg/m 3 ) Volume (m 3 ) SG Specific gravity - W Berat (N) Berat jenis (N/m 3 ) g Percepatan gravitasi (m/s 2 ) F Gaya, gaya pembebanan (N) P Tekanan (Pa) A Luas penampang (m 2 ) h Kedalaman (m) p h Tekanan hidrostatis (N) u/ y Gradien kecepatan (s -1 ) Viskositas dinamik (Pa s) Tegangan geser (N/m 2 ) Viskositas kinematik (m 2 /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 (m 3 /s) p/ρg Head tekanan (m) V 2 /2g Head kecepatan (m) xvii

18 z Head ketinggian/head elevasi (m) P gauge Tekanan Gauge (Pa) P atm Tekanan atmosfer (Pa) E p Energi potensial (J) E k Energi kinetik (J) P Energy tekanan (J) H Head (m) C Konsentrasi - p Penurunan tekanan (Pa) f Faktor gesekan - h l Rugi head (m) K Koefisien rugi (m) d 1 Diameter pipa kecil (m) d 2 Diameter pipa besar (m) Rasio diameter pipa (m) h f Kerugian energy gesek per satuan massa (m 2 /s 2 ) xviii