Karakteristik Drag Reduction dan Profil Distribusi Kecepatan Aditif CMC pada Aliran Crude Oil dalam Pipa Spiral 1 Kurniawan Teguh Waskito, 2 Yanuar 1 Mahasiswa Program Magister Teknik Mesin, Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Jakarta 16424, Indonesia 2 Dosen Pembimbing, Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Jakarta 16424, Indonesia email : kurniawan.teguh01@gmail.com Abstrak : Salah satu permasalahan utama yang terjadi dalam aliran fluida pada sistem perpipaan di industri adalah tingginya konsumsi daya pompa yang disebabkan oleh tingginya kerugian jatuh tekanan karena faktor gesekan dalam rezim aliran turbulen. Senyawa pengurang hambatan (DRA) digunakan sebagai salah satu solusi untuk mengurangi kehilangan daya dalam sistem perpipaan. Salah satu jenis DRA yang paling dikenal adalah biopolimer dengan keramahannya terhadap lingkungan dan ketersediaannya yang melimpah dan relatif murah. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengurangan kerugian jatuh tekanan dengan penambahan variasi konsentrasi larutan CMC 250 ppm, 500 ppm, dan 750 ppm kedalam aliran minyak mentah pada pipa spiral dengan variasi rasio P/Di=3,5;5,4; dan 7,6, serta pipa bulat dengan Di = 17 mm. keefektifan DRA dapat dianalisis dengan pengukuran profil distribusi kecepatan. Hasil dari pengujian ini diperoleh nilai DR maksimum pada konsentrasi 750 ppm untuk pipa bulat 35,8%, pipa spiral rasio P/Di 3,5=20,3%, P/Di 5,4=25,6%, P/Di 7,6=32,5%. Peningkatan DR dapat ditunjukkan dengan data distribusi kecepatan aliran yang semakin tinggi dengan penambahan konsentrasi CMC yang semakin meningkat. Kata kunci : Drag Reduction; CMC; profil distribusi kecepatan; pipa bulat; pipa spiral Characteristics of CMC additives to Drag Reduction and Velocity Profiles Distribution of Crude Oil Flow in Spiral Pipes Abstract: One of the main problems that occur on the fluid flow in the pipeline industry is a high pump power consumption due to high frictional pressure drop in turbulent flow. Drag Reducing Agent (DRA) is used as one of the solutions to reduce the power losses in the piping system. One of the most popular DRA is biopolymer due to its environmentally friendly and inexpensive. This study aims to investigate the reduction of pressure drop using consentration of additive CMC 250 ppm, 500 ppm and 750 ppm into crude oil flow in the spiral pipe with diameter ratio P/Di=3,5;5,4; and 7,6, and circular pipe with diameter Di=17 mm. The effectiveness of DRA could be analysed by measuring velocity distribution profile. The results of this test could be obtained maximum DR percentage of 750 ppm for circular pipe 35,8%, for spiral pipes with ratio P/Di 3,5=20,3%, P/Di 5,4=25,6%, P/Di 7,6=32,5%. Increasing of DR could be presented by the data of velocity distribution profiles measurement that increased by increasing CMC concentration. Keywords: Drag Reduction; CMC; velocity distribution profile; circular pipe; spiral pipe
1 Pendahuluan Penggunaan polimer drag reduction telah tersebar secara luas sejak kesuksesan aplikasinya pada Trans Alaska Pipelines (TAPs) pada tahun 1979. Karena beberapa kelebihan dari sifat yang dimiliki oleh polimer sehingga kecenderungan pemilihan polimer sebagai DRA semakin meningkat dalam pemanfaatan di berbagai industri terutama industri minyak dan gas. Salah satu masalah utama yang terjadi pada aliran fluida dalam industri perpipaan adalah konsumsi daya pemompaan yang tinggi karena tingginya penurunan tekanan gesekan pada aliran turbulen. Senyawa pengurang drag (DRA) digunakan sebagai salah satu solusi untuk mengurangi kerugian daya dalam sistem perpipaan. Salah satu DRA yang paling populer adalah biopolimer karena yang ramah lingkungan dan murah. Kehilangan tekanan larutan gum guar dalam pipa bulat dan spiral dengan berbagai konsentrasi ppm diukur di suatu daerah dari laminar menuju aliran turbulen. Efek aditif pengurang drag guar telah diverifikasi. Efeknya hanya terjadi di atas beberapa bilangan Reynolds kritis yang dipengaruhi oleh konsentrasi larutan gum guar [1] Larutan pengurang drag polimer biasanya adalah penipisan geseran, viskoelastis, dan baik itu regangan penipisan maupun regangan penebalan, dan untuk memvariasi tingkat setiap karakteristik ini adalah untuk mempengaruhi tingkat pengurangan drag [2]. Pengaruh dengan hanya beberapa bagian-per-juta berat konsentrasi polimer pada daerah laminarturbulen-transisi, sifat lapisan batas dan aliran pipa turbulen dan pelat datar telah lama dikenal. Penurunan hambatan yang besar yang dihasilkan oleh larutan polimer viskoelastik sedang dipertimbangkan untuk aplikasi praktis di berbagai bidang teknik [3] Selulosa adalah bahan yang paling berlimpah dari semua polimer alam. Selulosa tidak larut air karena ikatan 2radient antar molekul yang kuat, tapi backbone glukosa dapat diturunkan untuk mendapatkan kelarutan air. Tiga turunan selulosa digunakan dalam aplikasi industri perminyakan, karboksimetil selulosa (CMC), selulosa hidroksietil (HEC) dan carboxymethil selulosa hydroxyethil (CMHEC). Keuntungan utama dari semua turunan selulosa adalah bahwa mereka residu bebas pada degradasi [4]. Hagen-Poiseuille, Darcy Weisbach, persamaan Colebrook dan grafik Moody memberikan solusi yang memadai untuk aliran dalam pipa melingkar, bahkan jika aliran turbulen, tidak terdapat solusi analitis murni. Sayangnya, tidak semua aliran dalam pipa terjadi pada pipa melingkar. Dalam 2radie udara dan penanganan gas seperti 2radie pemanas rumah dan pembangkit listrik, udara dan saluran gas buang gas umumnya menggunakan saluran persegi panjang [1]. Di dalam industri minyak dan gas yang berhubungan dengan transportasi produk olahan minyak bumi, transportasi minyak mentah, dan bahkan aliran fluida pengeboran yang berupa lumpur (drilling fluid) akan banyak sekali kebutuhan penggunaan DRA untuk efisiensi daya pemompaan. Dalam aliran minyak mentah dan fluida pengeboran ketika kecepatan aliran tidak cukup tinggi akan terjadi pengendapan pada sisi pipa yang menyebabkan peningkatan drag aliran karena fluida yang mengalir mengandung partikel berupa lumpur. lumpur adalah campuran padatan dan cairan yang sifat aliran tergantung pada ukuran partikel dan distribusi, konsentrasi padatan dalam cairan, ukuran saluran, tingkat turbulensi, suhu, dan viskositas. Konsentrasi lumpur, secara khas memiliki kepadatan sangat tinggi [5]. Solusi permasalahan dalam aliran fluida suspensi dengan terjadinya pengendapan dapat digunakan pipa spiral. Di dalam pipa spiral memutar dengan pitch konstan dalam kaitannya dengan sumbu aliran berputar-putar terjadi ketika cairan mengalir dalam pipa. Watanabe K et al [5]. pengurangan drag pada lumpur yang mengalir dalam pipa spiral mungkin akan terjadi dari rasio pitch dan diameter yang sesuai dengan sifat dari lumpur [6]. Untuk aplikasi praktis pipa spiral menyajikan metode yang sangat berguna untuk mencegah fenomena hold up dalam transportasi pipa untuk pengangkutan lumpur [7]. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui fenomena drag reduction aliran crude oil dengan aditif konsentrasi larutan biopolimer jenis Carboxymetylcellulose (CMC) dengan analisis profil distribusi kecepatan aliran pada pipa
bulat dan spiral lurus dengan perbedaan rasio P/Di dengan pembanding pipa bulat, sehingga dapat diperoleh rasio pipa spiral dengan pengurangan drag tertinggi untuk keperluan pengurangan daya pompa yang digunakan. Fenomena pengurangan drag dijelaskan lebih lanjut dengan menggunakan pengukuran distribusi profil kecepatan yang menunjukkan pengaruh aliran berputar-putar dan CMC aditif dalam lingkaran dan spiral pipa [8]. Variasi konsentrasi berat lumpur tidak berpengaruh pada koefisien gesekan dalam pipa [7]. Sehingga konsentrasi suspensi yang terdapat dalam minyak mentah tidak berpengaruh terhadap koefisien gesek. 2 Reologi Model Karakteristik aliran fluida di dalam pipa direpresentasikan dalam diagram Moody. Persamaan friction coefficient untuk aliran laminar dinyatakan sebagai kurva lurus Hagen-Pouiseuille dan Blasius untuk aliran turbulen dan rasio kekasaran permukaan pipa. Hubungan tersebut merubah nilai viskositas pada non-newtonian fluid dikarenakan terjadinya shear rate, Reynolds kemudian digantikan dengan Generalisasi Reynolds number Re, dimana viskositas nyata (apparent viscosity) berhubungan dengan nilai mutlak shear stress, pada fluida Non- Newtonian secara umum hubungan tegangan geser (shear stress) dan gradient kecepatan (shear rate) dapat dituliskan sebagai Power Law Model berikut : n u n τ = K = K( γ)... (1) y Dimana : K adalah konstanta fluida viskositas nyata (apparent viscosity) dimana semakin besar nilai K fluida semakin viskos, τ adalah tegangan geser, n adalah indeks perilaku aliran (power law index), u/ y= γ adalah laju geseran (shear rate). Untuk n=1 adalah fluida Newtonian dimana K=µ untuk viskositas Newtonian. n<1 untuk fluida Pseudoplastic, dan n>1 untuk fluida dilatant. dengan : DΔP τ =... (2) 4L 8V... (3) γ = D dengan D adalah diameter pipa, ΔP adalah pressure drop, L adalah panjang pipa, V adalah kecepatan aliran. Dari nilai tegangan geser (shear stress) dan laju aliran dari fluida tersebut maka power law index (n) dapat diketahui dengan persamaan sebagai berikut : DΔP τ1 d ln Log n 48 L atau τ 2... (4) = n = V γ1 d ln Log D γ Dengan mengetahui besar tegangan geser yang terjadi, profil kecepatannya, dan power law index (n) maka nilai K (η) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (1). jika nilai K sudah diketahui maka Generalisasi Reynolds number dapat diketahui dengan menggunakan persamaan berikut : n n 2 n 8n ρd V Re' =... (5) n n 2(3n+ 1) K friction coefficient ( f ) dapat diketahui jika nilai tegangan geser, kecepatan aliran dan densitas fluida kerja sudah diketahui, maka digunakan persamaan fanning sebagai berikut : τ DΔP f = atau f =... (6) 2 2 1/2ρV 2LρV 2
Persamaan fanning umumnya digunakan untuk menghitung faktor gesekan dimana zat kimia penyusunnya lebih diperhatikan (untuk fluida lebih dari satu phase). Nilai friction factor dapat dikonversi ke formula Darcy menjadi sebagai berikut : fdarcy = 4 f fanning... (7) Persamaan Hagen Pouisuelle untuk menyatakan friction factor pipa mulus dalam aliran laminar berkembang penuh adalah : 16 f =... (8) Re In fully developed pipe flow, dilute polymer solutions exhibit three distinct regimes which are, in order of increasing flow rate (Virk,1975) : Persamaan keseluruhan daerah aliran turbulen dapat dinyatakan dalam persamaan Prandtl-Karman sebagai berikut : 1 ( f ) = 4.0log Re 0.4... (9) f dan daerah Virk s asymptote yang diperkenalkan Virk untuk menyatakan kemungkinan terbesar pengurangan pressure drop yang mana hubungan diantara friction factor ( f ) dan Re tidak tergantung pada aditif atau diameter pipa. Persamaan Virk adalah (Virk dkk, 1970) ( f ) 1 = 19.0log Re 32.4... (10) f Kehilangan energi dalam aliran pipa yang disebabkan gesekan dinyatakan sebagai pressure drop atau dapat juga dinyatakan dalam head loss sebagai berikut : 2 L ρv Δ P= 4 f... (12) D 2 2 L V hl = 4 f... (13) D 2g dimana hl adalah head loss, f adalah fanning friction factor. Persentase drag reduction dapat dihitung dengan formulasi berikut : ΔPf ΔPfdrag DR% = 100... (14) ΔPf dimana ΔP adalah pressure drop tanpa penambahan DRA, dan f ΔP adalah pressure drop dengan fdrag penambahan DRA. Untuk mengetahui distribusi kecepatan aliran pada pipa spiral pada setiap titik kedudukannya dengan menggunakan pitot tube dimana perbedaan tekanan antara static dan dinamik didapat dengan mengukur perbedaan ketinggian kemudian dengan menggunakan persamaan : u= 2gΔ h... (15) profil kecepatan dalam istilah koordinat nondimensional universal [!! =!!! dan!! =!!!! ] menawarkan sebuah representasi alternatif dalam perilaku drag reduction. Kecepatan lokal u bervariasi terhadap y, jarak dari dinding. Terdapat tiga daerah yang berbeda yang bisa direpresentasikan dengan persamaan berikut ini : Dekat dengan dinding, aliran dalam sublayer viskos dan dalam buffer layer direpresentasikan oleh masing-masing persamaan 11 dan 12!! =!! 0 <!! < 5 (viscos sublayer)... (16)!! =!! 0 <!! 30 (buffer layer)... (17)
Lapisan logaritmik diberikan sebagai!! = 2.5 ln!! + 5.5!! > 30... (18) Profil kecepatan dalam aliran pengurang drag dalam banyak kasus menunjukkan sifat yang aneh. Permulaan profil logaritmik pada perpotongan dengan kemiringan yang curam dan mendeskripsikan kecepatan pada maksimum drag reduction. Maksimum Drag reduction Virk (10) diberikan sebagai!! = 11.7 ln!! 17... (19) Untuk pengurang drag polimer, profil kecepatan paralel terhadap profil Newtonian dan dipisahkan oleh sebuah faktor B tergantung pada polimer, dan dalam pipa dan karakteristik aliran (lihat gambar 2)!! = 2.5 ln!! + 5.5 +!... (20) Daerah pertama (viskos sublayer) memperpanjang sampai sekitar!! = 5. Aliran pengurang drag memotong garis maksimum drag reduction sebagai pengganti!! =!!. 3 Set-up Eksperimen Penelitian ini menggunakan tiga jenis pipa spiral dengan variasi diameter dalam (Di), diameter luar (Do), ketebalan dinding pipa ( d), jarak satu putaran ulir (P), rasio pitch terhadap diameter dalam (P/Di). Pipa spiral dengan diameter pitch ratio (P/Di) = 3,5; 5,4; dan 7,6. Dan juga pipa bulat sebagai pembanding dengan Di = 17 mm. untuk mengetahui persentase drag reduction yang terjadi seperti yang ditunjukkan dalam gambar 1. Setup eksperimental ditunjukkan pada Gambar 1. Minyak mentah yang diedarkan oleh pompa diafragma untuk memastikan minyak mentah tidak bersentuhan langsung dengan impeller yang menyebabkan degradasi lebih cepat dalam larutan. Selain itu juga menggunakan kompresor untuk menjaga kestabilan aliran menuju pipa. Aliran dalam sirkuit tertutup dan dikumpulkan dalam tangki. Penurunan 5radient tekanan diukur pada 1500 mm panjang antara masing-masing transduser tekanan. Pengukuran penurunan tekanan menggunakan manometer raksa. Panjang entri ditetapkan 2500 mm untuk memastikan bahwa aliran dalam kondisi berkembang sepenuhnya. Larutan CMC dengan konsentrasi 250, 500, dan 750 ppm dalam aliran. Suhu dijaga tetap pada suhu kamar 27 0 C. Pengujian ini dilakukan tidak lebih dari satu jam untuk menghindari efek degradasi polimer dan menggantinya dengan larutan yang baru. Pengujian dilakukan dari bilangan Reynolds rendah ke bilangan Reynolds lebih tinggi dan laju aliran diatur oleh gate valve. Pengukuran profil distribusi kecepatan pada pipa bulat dan spiral digunakan pitot tube ditunjukkan pada gambar 2. Untuk mengetahui distribusi kecepatan aliran pada pipa spiral pada setiap titik kedudukannya dengan menggunakan pitot tube dimana perbedaan tekanan antara statik dan dinamik didapat dengan mengukur perbedaan ketinggian yang dapat terbaca pada skala manometer yang dipasang pada lubang statik dan dinamik pitot tube. Tabel 1 Dimensi Pipa Uji Pipes Di (mm) Do (mm) d (mm) P(Pitch) P/Di Circular 17 19 2 Spiral 1 18.5 22.5 4 140,6 7.6 Spiral 2 19.3 23.3 4 104,22 5.4 Spiral 3 20.2 24.2 4.2 70,7 3.5
Manometer Compressor Circular Pipe, Di = 17 mm Pitot tube A Tank 1 Spiral Pipe, P/Di =3.5 Spiral Pipe, P/Di =5.4 A B B Spiral Pipe P/Di = 7.6 Valve 2500 mm 1500 mm 1000 mm Measuring glass Tank 2 Pump Gambar 1 Experimental set-up Gambar 2 Penampang pipa spiral dan metode pengukuran profil distribusi kecepatan 4 Hasil dan Diskusi 4.1 Drag reduction aliran crude oil dengan aditif konsentrasi larutan CMC pada pipa bulat Sifat aliran crude oil yang digunakan dalam penelitian ini masih masih termasuk kedalam newtonian fluid sehingga hubungan antara shear rate dan shear stress adalah linier. Sedangkan penambahan konsentrasi larutan CMC kedalam aliran menyebabkan terjadinya perubahan sifat aliran menjadi pseudoplastis atau shear thinning, sehingga hubungan laju geser dan tegangan geser bersifat eksponensial dengan pangkat n<1 seperti pada gambar 4.
Gambar 3 Perbandingan shear rate terhadap shear stress campuran crude oil dan CMC konsentrasi 250 ppm, 500 ppm, dan 750 ppm pada pengujian pipa bulat Di 17 mm Gambar 5 menunjukkan karakteristik laju geser terhadap viskositas sesaat, crude oil masih bersifat sebagai newtonian fluid sedangkan pada penambahan konsentrasi larutan CMC pada kondisi awal memiliki viskositas sesaat yang tinggi sebanding dengan konsentrasi larutan. Kemudian, sifat larutan terdegradasi karena laju geseran sehingga viskositas semakin menurun. Gambar 4 Perbandingan shear rate terhadap apparent viscosity campuran crude oil dan CMC konsentrasi 250 ppm, 500 ppm, dan 750 ppm pada pengujian pipa bulat Di 17 mm Karakteristik pengurangan drag polimer pada pipa bulat dipengaruhi oleh banyak faktor, diantaranya jenis dan konsentrasi polimer dalam aliran, bilangan Reynolds, bentuk dan diameter pipa. Selain itu, model aliran yang terjadi dalam bentuk penampang pipa yang berbeda seperti halnya dalam pipa spiral yang memberikan karakteristik aliran memutar dapat mempengaruhi sifat aliran baik itu pressure drop, profil distribusi kecepatan, dan juga tingkat pengurangan drag yang terjadi dengan penambahan konsentrasi polimer. Oleh karena itu, untuk menganalisis karakter dan tingkat pengurangan drag yang dapat dicapai dengan penambahan konsentrasi polimer jenis CMC kedalam aliran crude oil dilakukan perbandingan antara sifat pengurangan drag untuk rasio masing-masing pipa spiral dan pipa bulat. diameter pipa bulat disesuaikan dengan diameter hidrolik pipa spiral rata-rata untuk setiap rasio,
sehingga dapat dipakai sebagai pembanding. penelitian ini mengacu pada penelitian sebelumnya oleh yanuar dkk. yang meneliti karakter pengurangan drag menggunakan polimer jenis guar gum pada fluida kerja air [1]. Gambar 5 Hubungan Generalized Reynolds number dengan faktor gesek konsentrasi larutan CMC 250 ppm, 500 ppm, dan 750 ppm pada pipa bulat Pada gambar 6 menunjukkan bahwa konsentrasi CMC mulai secara efektif bekerja pada bilangan Reynolds diatas 10000. Hal ini terjadi karena polimer bekerja sebagai pengurang drag pada rezim aliran turbulen. Semakin meningkatnya nilai Reynolds penurunan friksi semakin tajam sehingga persentase drag reduction makin tinggi. Seperti pada gambar 7, drag reduction maksimum untuk konsentrasi CMC 750 ppm sebesar 35,8%. Gambar 6 Hubungan Generalized Reynolds number dengan drag reduction konsentrasi larutan CMC 250 ppm, 500 ppm, dan 750 ppm pada pipa bulat Gambar 8 menunjukkan hubungan bahwa konsentrasi CMC dan nilai Re yang semakin tinggi memberikan persentase drag reduction yang makin tinggi, dari grafik diperlihatkan drag reduction tertinggi terjadi pada nilai Re sekitar 50000.
Gambar 7 Hubungan konsentrasi dengan drag reduction pada tingkat Reynolds number dalam pipa bulat 4.2 Pengaruh rasio P/Di pipa spiral terhadap drag reduction aliran crude oil dengan konsentrasi larutan CMC. Gambar 8 Perbandingan shear rate terhadap apparent viscosity crude oil pada pipa spiral Gambar 9 menunjukkan karakteristik laju geseran dan viskositas sesaat konsentrasi larutan CMC dalam pipa spiral. Semakin rendah rasio P/Di viskositas semakin tinggi untuk konsentrasi larutan CMC yang sama dan dapat dikatakan semakin cepat terjadi degradasi karena sifat aliran pada pipa dengan rasio kecil yang semakin turbulen. Pipa spiral memiliki karakter aliran yang memutar dan olakan yang lebih tinggi daripada pipa bulat biasa. Oleh karena itu, sifat yang khas inilah yang dimanfaatkan untuk mencegah terjadinya pengendapan partikel lumpur yang terkandung dalam aliran crude oil dalam jangka waktu yang lama. Akan tetapi konsekuensi dari penggunaan pipa spiral ini adalah tingginya faktor gesekan aliran yang menimbulkan pressure drop yang tinggi. Semakin kecil rasio P/Di pipa spiral akan makin tinggi tingkat turbulensi aliran dan friksi yang makin tinggi, sebaliknya jika makin besar rasio P/Di akan mengurangi turbulensi aliran dan cenderung mengakibatkan aliran kembali mendekati sifat aliran pada pipa bulat dan hal ini akan menghilangkan fungsi pipa spiral tersebut. Oleh karena itu, diperlukan optimasi antara rasio P/Di dengan kandungan partikel yang ada dalam
fluida yang akan dialirkan dalam pipa. Optimasi yang dilakukan mempertimbangkan keefektifan tingkat turbulensi rasio pipa spiral dengan besarnya pressure drop yang terjadi. Dalam penelitian ini sifat fluida crude oil adalah masih newtonian fluid, dan kandungan partikel yang ada tidak terlalu dominan dalam aliran. Penambahan konsentrasi CMC dalam aliran menjadi solusi yang bisa dilakukan untuk mengurangi tingginya pressure drop dalam pipa spiral. Hasil yang ditunjukkan dalam gambar 10, 11, dan 12 menunjukkan perbandingan faktor gesekan dengan rasio yang berbeda. Pada gambar 13, pipa spiral rasio 3,5 memberikan pengurangan maksimum sebesar 20,3%, rasio 5,4 memberikan pengurangan maksimum 25,6% dan rasio 7,6 memberikan pengurangan tertinggi sebesar 32,5%. Gambar 14 memberikan hubungan antara konsentrasi dan nilai Re terhadap drag reduction pada pipa spiral. Seperti pada pipa bulat drag reduction tertinggi dicapai pada nilai Re sekitar 50000. Gambar 9 Hubungan Generalized Reynolds number dengan faktor gesek dalam konsentrasi larutan CMC 500 ppm dan 750 ppm pada pipa spiral rasio P/Di=3,5 Gambar 10 Hubungan Generalized Reynolds number dengan faktor gesek dalam konsentrasi larutan CMC 500 ppm dan 750 ppm pada pipa spiral rasio P/Di=5,4
Gambar 11 Hubungan Generalized Reynolds number dengan faktor gesek dalam konsentrasi larutan CMC 500 ppm dan 750 ppm pada pipa spiral rasio P/Di=7,6 Gambar 12 Hubungan Generalized Reynolds number dengan drag reduction konsentrasi larutan CMC 500 ppm dan 750 ppm pada pipa spiral rasio P/Di=3,5; 5,4; dan 7,6 Gambar 13 Hubungan konsentrasi dengan drag reduction dengan tingkat Reynolds number pada pada pipa spiral rasio P/Di=3,5; 5,4; dan 7,6
Dari hasil pengurangan drag yang dapat dicapai antara masing-masing rasio pipa spiral dapat dibandingkan hasilnya dengan pengurangan pada pipa bulat. Pengurangan maksimum drag pipa spiral tertinggi adalah rasio P/Di 7,6 sebesar 32,5% sedangkan pada pipa bulat sebesar 35,8%. Hasil ini sesuai dengan penelitian-penelitian terdahulu. Pengurangan drag pada pipa spiral tidak setinggi yang terjadi pada pipa bulat, hal ini menunjukkan bahwa keefektifan polimer pengurang drag menjadi berkurang ketika digunakan pada pipa spiral karena sesuai dengan teori pengurangan drag polimer yaitu sebagai DRA yang berfungsi untuk meredam tingkat olakan/turbulensi aliran yang secara efektif bekerja pada lapisan buffer layer mencegah partikel streak menembus lapisan buffer dari lapisan viskos sublayer yang akan menuju inti turbulen. Hal ini dapat terjadi karena karakter aliran pipa spiral yang lebih acak, memutar dan berolak mengakibatkan rantai polimer kurang efektif dalam meredam olakan yang terjadi dan makin mempercepat pemotongan rantai polimer yang ada sehingga kemampuan pengurangan drag makin berkurang. 4.3 Analisis pengurangan drag aliran dengan hasil pengukuran profil distribusi kecepatan Pengukuran distribusi kecepatan ini menggunakan pitot tube dimana pitot tube dapat di turun naikkan setiap jarak 1 mm ke arah vertikal dan horizontal. Untuk pipa bulat pengukuran pitot tube dilakukan dengan satu posisi karena profil pada pipa bulat cenderung homogen. Sedangkan pada pipa spiral lurus dilakukan dengan 3 cara untuk mengambil data profil kecepatan aliran yaitu pada posisi atas!=0 0, samping kiri posisi!=120 0, dan samping kanan posisi!=240 0, pengukuran dilakukan pada nilai Re=12500 Hasil 3 cara pengukuran diproyeksikan menghasilkan grafik distribusi kecepatan pandangan samping dan pandangan depan. Dengan mengintegrasi numerik proyeksi profil aliran ini kemudian diperoleh laju aliran volumetrik (debit aliran). Dari analisis inilah dapat dijelaskan perbedaan debit aliran yang terjadi pada aliran dalam pipa bulat maupun rasio pipa spiral, dan juga pengaruh penambahan konsentrasi CMC kedalam larutan 4.3.1 Profil distribusi kecepatan pipa bulat Di=17 mm Pengukuran profil aliran pada pipa bulat dilakukan pada aliran crude oil, penambahan konsentrasi larutan 250 ppm, 500 ppm, dan 750 ppm ke dalam aliran. Pitot tube mengukur sembilan titik posisi pada penampang aliran. hasilnya ditunjukkan Pada gambar 15 dengan penampakan samping dan depan. Pada pipa bulat dengan penambahan konsentrasi 250 ppm, 500 ppm dan 750 ppm diperoleh penambahan laju alir sebesar masing-masing 6,4%; 10,1%; 13,1%. Dengan kecepatan rata-rata aliran crude oil, penambahan konsentrasi 250 ppm, 500 ppm, dan 750 ppm masing-masing sebesar 0,78 m/s, 0,81 m/s, 0,83 m/s, dan 0,85 m/s. Hal ini tampak pada peningkatan rata-rata kecepatan aliran pada penambahan konsentrasi CMC gambar 15 (a) (b) (c) dan (d), kemudian (e) menunjukkan perbandingan luasan area profil kecepatan rata-rata aliran yang merepresentasikan peningkatan laju alir.
crude oil 250 ppm 0.67 0.80 0.86 0.88 0.90 0.88 0.86 0.80 0.67 0.88 0.86 0.80 0.67 0.90 0.62 0.79 0.94 1.02 1.05 1.02 0.94 0.79 0.62 0.79 0.62 0.94 1.02 1.05 (a) (b) 750 ppm 0.57 0.80 1.00 1.09 1.12 1.09 1.00 0.80 0.57 1.00 0.88 0.57 1.09 1.12 0.53 0.80 1.04 1.15 1.19 1.15 1.04 0.80 0.53 1.04 0.80 0.53 1.15 1.19 (c) (d) (e) Gambar 14 (a) Profil distribusi kecepatan crude oil pipa bulat Di=17mm, (b) Profil distribusi kecepatan konsentrasi larutan CMC 250 ppm, (c) 500 ppm, (d) 750 ppm, (e) Perbandingan debit aliran 4.3.2 Profil distribusi kecepatan pipa spiral Pengukuran profil aliran pada pipa spiral dilakukan pada tiga posisi berbeda dengan pengukuran pada enam titik pada penampang aliran, berbeda dengan pipa bulat karena sifat aliran pipa tidak seragam seperti yang terjadi pada pipa bulat, pada pipa spiral terjadi aliran memuntir sehingga profil aliran lebih kompleks. Berikut ini adalah analisis profil aliran untuk setiap perbedaan rasio pipa spiral dengan penampakan samping posisi!=0 0 dan penampakan depan. 4.3.2.1Profil distribusi kecepatan pipa spiral P/Di=3,5 Profil aliran pipa spiral rasio 3,5 pada gambar 16 memberikan hasil peningkatan laju aliran pada
penambahan larutan konsentrasi CMC 500 ppm dan 750 ppm sebesar masing-masing 3,1% dan 4,1%. Dengan kecepatan rata-rata aliran crude oil konsentrasi CMC 500 ppm dan 750 ppm masingmasing sebesar 0,59 m/s, 0,61 m/s dan 0,62 m/s. crude oil 500 ppm 0.68 0.86 0.78 0.62 0.40 0.19 (a) 750 ppm 0.78 0.86 0.68 0.62 0.40 0.19 0.63 0.92 0.84 0.67 0.42 0.20 0.67 0.63 0.92 0.84 0.42 0.20 (b) 0.62 0.89 0.85 0.69 0.47 0.20 0.85 0.69 0.62 0.47 0.20 0.89 (c) (d) Gambar 15 (a) Profil distribusi kecepatan crude oil pipa spiral rasio P/Di=3,5, (b) Profil distribusi kecepatan konsentrasi larutan CMC 500 ppm, (c) 750 ppm, (d) Perbandingan debit aliran 4.3.2.2 Profil distribusi kecepatan pipa spiral P/Di=5,4 Profil aliran pipa spiral rasio 5,4 pada gambar 17 memberikan hasil peningkatan laju aliran pada penambahan larutan konsentrasi CMC 500 ppm dan 750 ppm sebesar masing-masing 3,7% dan 5,1%. Dengan kecepatan rata-rata aliran crude oil konsentrasi CMC 500 ppm dan 750 ppm masingmasing sebesar 0,64 m/s, 0,67 m/s dan 0,69 m/s.
crude oil 500 ppm 0.76 0.89 0.82 0.66 0.46 0.24 0.82 0.76 0.66 0.46 0.24 0.89 0.73 0.92 0.88 0.73 0.50 0.26 0.92 0.88 0.73 0.73 0.50 0.26 (a) 750 ppm (b) 0.72 0.98 0.92 0.73 0.52 0.26 0.92 0.73 0.72 0.52 0.26 0.98 (c) (d) Gambar 16 (a) Profil distribusi kecepatan crude oil pipa spiral rasio P/Di=5,4, (b) Profil distribusi kecepatan konsentrasi larutan CMC 500 ppm, (c) 750 ppm, (d) Perbandingan debit aliran 4.3.2.3 Profil distribusi kecepatan pipa spiral P/Di=7,6 Profil aliran pipa spiral rasio 7,6 pada gambar 18 memberikan hasil peningkatan laju aliran pada penambahan larutan konsentrasi CMC 500 ppm dan 750 ppm sebesar masing-masing 4,3% dan 6,5%. Dengan kecepatan rata-rata aliran crude oil konsentrasi CMC 500 ppm dan 750 ppm masingmasing sebesar 0,69 m/s, 0,74 m/s dan 0,76 m/s.
crude oil 500 ppm 0.82 0.89 0.83 0.72 0.56 0.82 0.72 0.56 0.31 0.89 0.83 0.75 1.00 0.98 0.84 0.61 0.84 0.75 0.61 0.30 1.00 0.98 0.31 0.30 (a) 750 ppm (b) 0.58 0.79 1.03 1.01 0.83 1.03 1.01 0.83 0.79 0.58 0.30 0.30 (c) (d) Gambar 17 (a) Profil distribusi kecepatan crude oil pipa spiral rasio P/Di=7,6, (b) Profil distribusi kecepatan konsentrasi larutan CMC 500 ppm, (c) 750 ppm, (d) Perbandingan debit aliran Gambar 19 menunjukkan grafik perbandingan perubahan jarak aksial terhadap jari-jari dan perbandingan kecepatan rata-rata dan kecepatan maksimal. Dari grafik dapat ditunjukkan bahwa semakin mendekati dinding nilai perbandingan kecepatan semakin turun dengan peningkatan konsentrasi CMC sesuai dengan proyeksi distribusi kecepatan pada gambar 12. Gambar 18 Grafik profil kecepatan aksial rata-rata crude oil dan variasi konsentrasi larutan CMC Pada gambar 20 ditunjukkan hubungan antara y+ dan u+ aliran yang menunjukkan profil kecepatan aksial rata-rata dalam hubungan wall unit untuk daerah viskos sublayer buffer layer dan inti turbulen. Peningkatan konsentrasi CMC mengakibatkan peningkatan u+ semakin besar memasuki
daerah inti turbulen. Jarak kurva pada grafik konsentrasi CMC dibandingkan dengan newtonian fluid adalah sebesar B. Gambar 19 Grafik profil kecepatan aksial rata-rata crude oil dan variasi konsentrasi larutan CMC dalam hubungan satuan dinding (wall unit) Dari data peningkatan laju aliran dan kecepatan rata-rata pada bulat dan pipa spiral dengan penambahan konsentrasi larutan CMC kedalam aliran menunjukkan keefektifan penggunaan aditif polimer kedalam aliran crude oil. Semakin tinggi rasio P/Di pipa spiral menunjukkan peningkatan laju alir dan kecepatan rata-rata. Tingkat peningkatan yang terjadi pada rasio pipa spiral P/Di 7,6 merupakan yang tertinggi dari rasio yang lainnya. Data profil distribusi kecepatan rata-rata pada nilai Re =12500 ini cukup merepresentasikan fenomena yang terjadi dalam pengurangan pressure drop dengan penambahan konsentrasi larutan CMC. Hal ini sesuai dengan data perbandingan pengurangan pressure drop dengan pengujian sebelumnya dengan hubungan antara nilai Reynolds dan faktor gesek. Karakteristik pengurangan drag polimer pada pipa spiral lebih rendah jika dibandingkan dengan pengurangan yang terjadi dalam pipa bulat. Pengurangan drag pada pipa spiral tertinggi untuk rasio 7,6 sebesar 32,5% sedangkan pada pipa bulat sebesar 35,8%. Hal ini tidak menjadi masalah yang besar untuk aplikasi pada aliran crude oil karena dengan penggunaan pipa spiral dapat dimanfaatkan fungsinya untuk menghindari terjadinya pengendapan partikel dalam aliran pipa. Sehingga perlu dilakukan optimasi antara rasio pipa spiral dengan karakter fluida yang mengandung konsentrasi lumpur dan juga pertimbangan pressure drop yang terjadi. 5 Kesimpulan Efek penambahan konsentrasi larutan CMC dalam aliran minyak mentah dapat mengurangi drag baik dalam pipa bulat maupun spiral. Pipa spiral dengan rasio P/Di 7.6 memberikan rasio terbaik dalam pengurangan drag aliran minyak mentah dibandingkan dengan rasio yang lainnya untuk pipa spiral, dan karakteristik pengurangan drag rasio ini sedikit berbeda dengan pipa bulat. Aspek penting dari penelitian ini adalah aplikasi pipa spiral menawarkan solusi terbaik untuk aliran minyak mentah yang mengandung konsentrasi berat partikel dalam suspensi. Dengan rasio tertentu pipa spiral dan aditif CMC dapat diperoleh aliran minyak mentah tanpa sedimentasi dan drag aliran yang lebih rendah.
Referensi [1] Yanuar, Gunawan, M. Baqi.Characteristics of Drag Reduction by Guar Gum in Spiral Pipes. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 58 (2012) Suppl 2,95-99 [2] M.P.Escudier, F.Presti, S.Smith. Drag Reduction in the Turbulent Pipe Flow of Polymer. J.Non-Newtonian Fluid Mech. 81 (1999) 197-213. [3] Yanuar and Watanabe K. 2004. Toms Effect of Guar Gum Additive for Crude Oil in Flow Through Square Ducts. The 14 International Symposium on Transport Phenomena. Bali Indonesia. Elsevier P.599-603. [4] Aqualon.Guar and Guar Derivatives Oil and Gas Field Applications. Hercules Incorporated (2007). [5] B.E. Abulnaga, Slurry Handbook, McGraw-Hill. 2002. [6] K. Watanabe, T Iwata, and H. Kato, Flow in Spiral Tube, 2 nd Report, Hydraulic Transport of Solid in a Horizontal Pipe, Bull. JSME, 27 (230) 1692-1688, 1984. [7] K. Watanabe, Drag Reduction on Fly Ash Slurries in a Spiral Tube. Elsevier science publishing company, Inc. 693-700,1988. [8]. Yanuar, Ridwan, Budiarso, Raldi A. Koestoer. Hydraulics Conveyances of Mud Slurry by a Spiral Pipe. Journal of Mechanical Science and Technology. Springer. 23 (2009) 1835-1839. [9] Yanuar, Budiarso, Gunawan, M.Baqi. Velocity Distribution of Mud Slurry in Curved Spiral Pipes. International Journal of Fluid Mechanics Research 38 (2011) 259-271. [10] Virk, P.S., Drag Reduction Fundamentals, AIChE Journal, 21, pp. 625-656, 1975 Keterangan simbol : τ : Tegangan geser! : Laju geser! : Viskositas sesaat K : Indeks konsistensi n : Indeks perilaku aliran µ : Viskositas dinamik u : Kecepatan rata-rata aliran Uo : Kecepatan maksimal aliran D : Diameter rata-rata pipa ρ : Massa jenis fluida f : Koefisien gesek Δ h : Selisih ketinggian manometer R : Jari-jari pipa r : Jarak kecepatan aliran dari pusat C : Konsentrasi larutan Do : Diameter Luar pipa Di : Diameter dalam pipa Dh : Diameter hidrolik pipa d : Selisih diameter luar dan diameter dalam P : Panjang ulir pipa spiral (Pitch) P/Di : Rasio pitch dengan diameter dalam Re : Reynolds number Re' : Reynolds generalis