STUDI EKSPERIMENTAL ALIRAN KE SIDE ARM T- JUNCTION DENGAN SUDUT 45O PADA SALURAN MIRING TERHADAP KARAKTERISTIK PEMISAHAN KEROSENE - AIR DENGAN VARIASI HAMBATAN DOWNSTREAM 1) 1), 2).3)
Oleh : Karminto, 2)Heri Kustanto, 3)Suhartoyo
Jurusan Teknik Mesin, Akademi Teknologi Warga Surakarta
ABSTRACT Research about T-junction as separator is still developing, especially about liquid-liquid flow to get maximum efficiency. Has been done research about dissociation characteristic of kerosene and water applies Tjunction with inlet - 1,50 orientation of side arm upward with angle of 450. diameter inlet 36 mm, and side arm pipe diameter 19 mm, made of plexyglass material. Variable which in measure is kerosene, debit and water secretory passed side arm and run arm to get its the dissociation efficiency based on speed of superficial kerosene and water according to test matrix. Pressure difference at T-junction area is also measured. To point kerosene flow into side arm hence arrangement of flow resistance at downstream equal to 42%, 57%, and 72%. Is done. Based on visualisation and data measurement yields maximum dissociation efficiency equal to 100% happened at its the flow pattern. Keyword : T-junction, Kerosene-Water, Flow resistance downstream
I. PENDAHULUAN Junctions (percabangan) dapat dijumpai diberbagai aplikasi sistem perpipaan seperti pada proses kimia, proses produksi dan trasportasi minyak dan gas. Ketika aliran dua fase yang tidak dapat bercampur ( gas-cair atau cair-cair ) mengalir di dalam pipa lalu bertemu dengan T-junctions, jarang sekali keduanya terbagi dalam rasio yang sama. Adakalanya semua cairan mengalir semua ke side arm (cabang vertikal) namun diwaktu lain semua cairan mungkin saja mengalir menuju run arm (cabang horizontal). Fenomena seperti ini disebut dengan istilah phase maldistribution (distribusi fase tidak merata). Phase maldistribution mempunyai konsekuensi yang negatif dan positif terhadap peralatan yang digunakan. Pada sisi yang negatif, terjadinya phase maldistribution akan menyebabkan penurunan efisiensi pada peralatan yang digunakan dibagian downstream dari T-junction (Conte & Azzopardi, 2003). Sisi positifnya, phase aldistribution yang terjadi dapat digunakan sebagai alat yang berguna pada proses industri, yaitu sebagai partial separator phase (Azzopardi dkk, 2002). Di lokasi pengeboran minyak lepas pantai (offshore), separator (alat pemisah) diperlukan untuk memisahkan minyak mentah dari unsurunsur lain (gas, air, lumpur, dan lain sebagainya) yang terkandung dalam perut bumi. Separator yang umum digunakan adalah suatu bejana (vessels) besar yang terbuat dari baja, yang pembuatannya memerlukan biaya yang sangat mahal dan diperlukan tempat yang luas untuk lokasi peletakannya. Selain itu, besarnya resiko yang ditimbulkan dari material yang mudah terbakar yang tersimpan di dalam vessels harus diminimalkan. Oleh karena itu, diperlukan separator yang lebih sederhana instalasinya, murah dalam pembuatannya, compact bentuknya dan aman penggunaannya, sehingga hal yang lebih mungkin adalah memanfaatkan phase maldistribution yang terjadi pada T-junction untuk proses pemisahan fase. Sudah lebih dari dua dekade usaha yang dilakukan para peneliti untuk mempelajari tentang fenomena pemisahan fase melalui T-junction, baik secara eksperimen maupun secara analisa teoritis.
Jurnal Teknika ATW_Edisi 08 1
Wang (2007) menjelaskan dalam laporan dalam penelitiannya bahwa, metode pemisahan dengan menggunakan T-junction pertama kali diperkenalkan oleh Orenje pada tahun 1973 yang meneliti tentang pemisahan aliran dua fase gas-cair. Berdasarkan hasil penelitiannya dinyatakan bahwa rasio pemisahan dipengaruhi oleh berbagai macam faktor diantaranya adalah tekanan di tiap cabang (side arm dan run arm), mass inertia dari cairan dan pola aliran dibagian inlet.
Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Mengetahui efisiensi pemisahan yang paling baik dari masing-masing hambatan downstream. 2. Mengetahui efisiensi pemisahan maksimum antara kerosene dan air serta pola aliran yang terbentuk. II. BAHAN DAN METODE PENELITIAN A. Bahan dan Peralatan Peneliti Untuk malakukan penelitian ini diperlukan alat dan bahan sebagai berikut : 1. Fluida kerja Kerosene dan air, dengan properties masing-masing adalah : Tabel 1.Properties Fluida Kerja
2. 3.
4. 5. 6.
Fluida kerja Densitas (kg/m3) Viskositas (kg/ms) Kerosene 819 0,00192 Air 998 0,00102 Pipa dari bahan plexiglass dengan diameter 1,5 inchi = 0,0381 m untuk saluran inlet dan diameter 0,75 inchi = 0,01905 m untuk saluran side arm. Pompa untuk mensirkulasikan kerosene dan air, dengan spesifikasi sebagai berikut: Model : PS 226 BI Max. Cap : 60 ltr/min Suct. Head : 9m Disch. Head : 31 m Total Head : 40 m Output : 200 Watt V/Hz/Ph : 220/50/1 RPM : 2850 Size : 1” x 1” Stopwatch untuk mengatur waktu pengambilan data pada saat pengujian. Mixer sebagai pencampur antara kerosene dan air sebelum dialirkan ke seksi uji. Flowmeter kerosene dan air untuk mengukur debit aliran kerosene dan air dengan spesifikasi : Tabel.2. Spesifikasi Flowmeter kerosene dan air
Flowmeter kerosene Flowmeter air Merk Tech Fluid Omega Kapasitas 100 – 1000 ltr/hr 0 – 15 GPM 7. Katup untuk mengatur jumlah debit air dan kerosene yang akan dialirkan ke seksi uji. 8. Tangki penampung/Reservoir untuk menampung fluida, kapasitas : 250 liter 9. Pipa berdiameter dalam 14 cm dan tinggi 110 cm dari bahan plexiglass digunakan sebagai tangki ukur dan separotor, yang berfungsi untuk menilai besarnya fraksi massa yang keluar dari kedua outlet dan untuk memisahkan campuran kerosene dan air supaya bisa digunakan kembali dalam pengujian selanjutnya. 10. Sony Handycam camera untuk merekam pola aliran yang terjadi pada pemisahan di T-junction 11. Manometer untuk mengukur perbedaan tekanan antara inlet-run, inlet-side dan run-side arm
2
B. Kajian Pustaka Rodriguez dkk, (2006) melakukan eksperimen terhadap aliran minyak-air dengan menggunakan pipa baja D = 8,28 cm dan L = 15 m untuk berbagai kemiringan. Fluida yang digunakan adalah minyak mineral (ρ = 830 kg/m3 dan μ = 7,5 mPa s) dan brine (ρ = 1060 kg/m 3 dan μ = 0,8 mPa s). Data untuk kondisi steady ditentukan berdasarkan pola aliran, gradient tekanan dua fase dan holdup untuk kemiringan pipa -5º; -2º; -1,5º; 0º; 1º; 2º dan 5º. Karakteristik pola aliran dan identifikasi kondisi stedi diperoleh dari pengamatan kamera perekam dan analisis perilaku homogen. Prediksi pola aliran pada berbagai sudut kemiringan pipa downward yang mempunyai stratified paling baik adalah pada sudut -1,5o. Yang dk (2006) melakukan eksperimen pemisahan fase cairan pada horizontal Tjunction dan vertikal upward side arm dengan menggunakan fluida kerja kerosene dan air. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa efisiensi yang tinggi dapat dicapai oleh T-junction yang berfungsi sebagai alat pemisah fase ketika pola aliran di inlet T-junction adalah stratified dan pemisahan kurang baik ketika pola alirannya dispersed. Mereka juga telah membuat sebuah model untuk memprediksi terjadinya phase maldistributin di T-junction. Wang dkk (2007) melakukan penelitian yang sama tentang phase maldistrbution dengan fokus kajian pada pola aliran stratified with mixture interface (ST dan MI) dan pola aliran dispersed. Data yang diukur berdasarkan pada besarnya aliran fraksi massa yang keluar dari side arm. Mereka juga menyatakan bahwa pemisahan fase juga dapat diukur berdasarkan pada fraksi massa yang berbeda-beda, persentasi air di dalam campuran (water cut), dan kecepatan superficial campuran pada pola aliran yang berbeda-beda. Pemisahan fasa di T-junction, perlu untuk mendefinisikan beberapa parameter berdasarkan penelitian dari Yang L dan B.J Azzopardi. Dari gambar 1, dan x merupakan laju aliran massa dan kualitas massa kerosene (rasio dari laju aliran massa kerosene terhadap laju aliran massa total); dan subskrip K dan W menunjukkan kerosene dan air. Parameter aliran pada pipa inlet ditunjukkan dengan indeks 1, straight arm (run) 2 dan side-arm (branch) 3. Parameter lain yang sering digunakan untuk dua cairan yang berbeda adalah water cut, yang didefinisikan sebagai fraksi volume air dalam aliran
Gambar 1. Parameter-Parameter Aliran Dua-fasa di T-junction
Fraksi kerosene yang terpisahkan Fraksi massa terpisahkan .
= Fk =
1 m3 .
x1 m1
=
dan fraksi air yang terpisahkan
.
. Untuk efisiensi pemisahan, Persamaan yang dipakai adalah:
.
(
m3 .
x1) .....................................................................(1)
m1 .
.
m3 m 1 1 + ( . 3 ≥ x1).........................................(2) = 1 - Fw = . (1 x1 ) m (1 x1 ) m 1 1
3
Secara umum, hasil dari pemisahan fase di sebuah T-junction ditunjukkan dengan menggunakan perbandingan fraksi dari fase yang meninggalkan inlet menuju side arm antara fase satu dengan fase lainnya, seperti ditunjukkan oleh gambar 2.
Gambar 2. Kriteria Untuk Menunjukkan Pemisahan Fase di T-junction (Yang dkk.,2006)
Fraksi kerosene dan air yang meninggalkan inlet menuju side arm dapat ditulis sebagai berikut :
Fk =
.
.
mk 3
mw3
.
................... (3)
mk 1
Fw =
.
........................(4)
m w1
Pada gambar 2. garis horisontal adalah fraksi kerosene yang meninggalkan inlet menuju side arm (Fk) dan garis vertikal adalah fraksi air yang meninggalkan inlet menuju side arm (Fw). Sebuah garis diagonal antara (0,0) dan (1,1) menunjukkan pemisahan yang sama, misalnya jika ada data yang terletak di garis ini berarti tidak terjadi pemisahan. Garis ini membagi luasan gambar menjadi dua bagian. Data yang ada di bagian bawah berhubungan dengan aliran kerosene yang mengalir menuju side arm dan data yang ada di bagian atas adalah aliran air yang mengalir menuju side arm. Di ujung gambar ini, pada titik (0,1) atau (1,0), adalah kondisi dimana terjadi pemisahan yang sempurna. Semakin dekat data dengan ujung gambar, maka pemisahan semakin baik. Jarak (L) dari garis pemisah ketitik data adalah ukuran (penilaian) yang baik dari pengaruh pemisahan, dapat ditulis sebagai berikut :
L = (Fk - Fw). Sin ..................................
(5)
Dimana adalah sudut antara garis diagonal dan garis horisontal (absis). Effisiensi pemisahan di definisikan sebagai perbandingan antara pemisahan aktual dengan pemisahan sempurna (Lmax = Sin ), maka dapat ditulis sebagai berikut :
=
L Lmax
=
Fk - Fw ...............................
(6)
Dimana nilai mutlak digunakan karena data eksperimen mungkin saja diletakkan pada salah satu sisi dari garis pemisah, bergantung pada fase mana yang paling dominan berada di side arm. Persamaan 6 menunjukkan bahwa effisiensi pemisahan adalah perbedaan antara fraksi dua fase yang berada di side arm. Dengan kata lain, titik data yang berada pada garis lurus yang sejajar dengan garis diagonal mempunyai harga effisiensi pemisahan yang sama. Ini dapat dilihat bahwa mereka mungkin memiliki kualitas massa yang berbeda di kedua saluran keluarnya tetapi mereka mempunyai effisiensi pemisahan yang sama. Biasanya, harga effisiensi pemisahan lebih kecil dari 100 %. Pada kasus yang ditunjukkan ini dimana air murni muncul melalui run arm adalah yang diinginkan. Untuk mengidentifikasi optimalnya kondisi aliran yang naik ke side arm, data pemisahan digambarkan sebagai effisiensi pemisahan ( ) versus fraksi massa yang menuju side
4
arm (m3/m1) dan ditunjukkan oleh gambar 3. dimana persamaan 1 mewakili garis yang cenderung naik dan persamaan 2 mewakili garis yang cenderung turun. Garis yang berpotongan menggambarkan pemisahan sempurna. Untuk kerosene yang lebih dominan mengalir ke side arm, pemisahan sempurna terjadi ketika fraksi massa yang mengalir ke side arm adalah sama dengan kualitas massa (kerosene) di inlet (x1). Analisa yang sama dapat dilakukan untuk air yang dominan menuju side arm, dengan pemisahan sempurna terjadi pada kualitas air di inlet (1- x1)
C. Metode Penelitian 1. Skema Peralatan Pengujian 6 Φ3
20 0
Φ36
45º
200 300
Gambar 4. Seksi Uji M 1
1
2
2
3
3
C
C S
2 3 T
T
Phase mixer
Seksi uji
Side arm
S
1 3T
2T 1
Run arm
T-junction
T Camera F
Gelas ukur
Gelas ukur
F Keterangan : A: Katup by-pass B: Katup pengatur debit C: Katup pembagi aliran D: Katup pengosongan F: Flowmeter P: Pompa M: Manometer N: Katup recirculation R: Katup buang S: Katup by-pass ke separator T: Katup ke gelas ukur
P
A
A
Tangki Kerosene
Tangki Air
Separator P
P
P
Gambar 5. Skema Instalasi Penelitian
2. Prosedur Pengujian Peralatan yang di pakai dalam penelitian ini ditunjukkan oleh gambar 2. Fluida kerja yang digunakan adalah kerosene (ρ = 819 Kg/m3 dan μ = 0,00192 Kg/ms) dan air (ρ = 998 Kg/m3 dan μ = 0,00102 Kg/ms). Pipa uji yang digunakan dari bahan plexyglass yang berdiameter dalam 36 mm untuk inlet dan 19 mm untuk side arm. Cara pengambilan data adalah air terlebih dahulu dipompakan dari tangki penampungan kedalam pipa saluran inlet sampai penuh, selanjutnya kerosene dipompakan dari tangki penampungan kedalam pipa saluran inlet sehingga kerosene dan air akan bercampur dalam mixer. Kemudian diatur katup
5
hambatan aliran pada downstream. Setelah kerosene dan air bercampur di dalam mixer, kemudian debit aliran keduanya diatur dengan menggunakan flowmeter dengan nilai besaran sesuai dengan matriks tes penelitian. Tabel 3.Matriks Tes Penelitian
Qw (GPM)
Jw (m/s)
1,5 2,5 3,5 4 5 6 6,5
0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
400
460
0,10
0,12
0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
0,22 0,27 0,32 0,37 0,42 0,47 0,52
Qk (ltr/hr) 600 660 Jk (m/s) 0,14 0,16 0,18 Jmix (m/s) 500
0,24 0,29 0,34 0,39 0,44 0,49 0,54
0,26 0,31 0,36 0,41 0,46 0,51 0,56
0,28 0,33 0,38 0,43 0,48 0,53 0,58
760
800
0,20
0,22
0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60
0,32 0,37 0,42 0,47 0,52 0,57 0,62
Aliran campuran mengalir menuju seksi uji kemudian dilakukan pengambilan sampel/data diatur berdasarkan waktu konstan 15 detik, dan sampel/data di tampung pada tabung ukur. Setelah pengambilan sampel, aliran di alihkan keseparator. Sambil menunggu proses pemisahan kerosene dan air, dilakukan pembacaan tekanan pada manometer U, dan visualisasi terhadap pola aliran pada sisi inlet dan daerah T-junction dengan menggunakan handycam. Setelah kerosene dan air yang ada di tabung ukur sudah terpisah, dilakukan pembacaan level kerosene dan level air. Aliran campuran yang sudah selesai diamati selanjutnya dipisahkan di separator, setelah terpisah kerosene dan air kemudian dipompa kembali ke tangki penampungan untuk digunakan lagi pada pengambilan data selanjutnya. Mulai
Instalasi Alat dan Uji coba Alat
Kalibrasi alat uji
Tidak Siap melakukan Pengujian ?
Ya
Pengambilan Data
Analisa Data
Kesimpulan
Selesai
Gambar 6. Diagram Alir Penelitian
6
III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Pemisahan Fasa Dari penelitian ini, data hasil pemisahan fasa disajikan berdasarkan perbandingan fraksi kerosene dan fraksi air yang mengalir ke side arm. Pengaturan hambatan aliran pada downstream sebesar 42%, 57 % dan 72% dari total aliran yang mengalir di downstream dan kondisi water cut 45 %, 53%, 64% dan 71%. Hasil pemisahan fasa kerosene-air (gambar 7) menunjukkan pemisahan fasa terjadi bila hambatan aliran pada downstream sebesar 42 % jumlah fraksi kerosene sekitar 98 % yang masuk ke side arm dan jumlah fraksi air lebih sedikit. Sedangkan (gambar 8) menunjukkan kerosene lebih mudah mengalir ke side arm bila hambatan aliran pada downstream sebesar 57%, tapi jumlah fraksi air masih banyak yang ikut masuk ke side arm. Kondisi water cut dan kecepatan superficial campuran memberikan pengaruh terhadap hasil pemisahan fasa. Semakin kecil nilai water cut maka pemisahan fasa semakin baik. Pemisahan fasa yang terjadi pada pengaturan hambatan aliran downstream baik 42%, 57% maupun 72% pada kecepatan superficial campuran 0,53 m/s; 0,48m/s dan 0,31 m/s dimana 98 % kerosene mengalir ke side arm
Gambar 7. Pemisahan Fasa pada Hambatan Aliran Downstream 42%
Gambar 8. Pemisahan Fasa pada Hambatan Aliran Downstream 57%
Gambar 9. Pemisahan Fasa pada Hambatan Aliran Downstream 72%
B. Efisiensi Pemisahan Fasa Efisiensi pemisahan yang diperoleh menunjukkan kecenderungan grafik yang sama, baik water cut 45 %, 53 %, 64 % dan 71%. Pada gambar 10 di mana semua fraksi massa yang mengalir ke side arm terletak pada garis pemisahan ideal kedua yang menunjukkan bahwa air murni mengalir ke run arm dan campuran mengalir ke side arm. Kondisi ini terjadi ketika diatur hambatan aliran pada downstream melalui sebuah katup. Selain itu, pengaturan kecepatan superficial kerosene dan kecepatan superficial air mengakibatkan terbentuk pola aliran yang berbeda pada bagian inlet T-junction yang mempengaruhi efisiensi pemisahan fasa. Dalam penelitian ini, pada kecepatan superficial air 0,1 m/s dan kecepatan aliran kerosene 0,1 m/s bentuk alirannya stratified. Kenaikan kecepatan minyak menjadi 0,2 m/s menghasilkan bentuk aliran
7
stratified dan mixture interface atau three layer. Efisiensi pemisahan fasa tertinggi sebesar 100% terjadi ketika pengaturan hambatan aliran pada downstream sebesar 42 % pada kecepatan superficial campuran 0,62 m/s (Jw = 0,40 m/s dan Jk = 0,22 m/s), pengaturan hambatan downstream 57% efisiensi 98% terjadi pada kecepatan superficial campuran 0,48 m/s (Jw =0,30 m/s dan Jk =0,18 m/s) sedangkan pengaturan hambatan downstream 72% efisiensi 95% terjadi pada kecepatan superficial campuran 0,27 m/s (J w = 0,15 m/s dan Jk = 0,12 m/s), pola aliran yang terbentuk adalah stratified, terlihat pada gambar 12. Water cut juga sangat mempengaruhi dalam pemisahan fasa. Semakin rendah water cut semakin tinggi puncak efisiensi pemisahan yang dicapai. Di gambar 10a menunjukkan puncak efisiensi pemisahan mencapai 96% pada kecepatan superficial campuran sebesar 0,33 m/s (Jw = 0,15 m/s dan Jk = 0,18 m/s). Untuk pengaturan hambatan aliran pada downstream sebesar 42% menunjukkan efisiensi pemisahan fasa paling tinggi yang bisa dicapai pada water cut 64%. Pada gambar 11, perbandingan efisiensi pemisahan fasa water cut 64% dengan hasil penelitian Ega T. B, dimana efisiensi maksimal 70% pada J mix= 0,32 m/s sedangkan hasil penelitian ini diperoleh efisiensi maksimal 100% pada Jmix= 0,62 m/s.
(a)
(b)
(c)
(d)
Efisiensi pemisahan (%)
Gambar 10. Efisiensi pemisahan fasa pada hambatan aliran downstream 42% , 57% dan 72% a) Water cut 45% b) Water cut 53% c)Water cut 64% d)Water cut 71%. 100
Water cut 64%
80
Jmix (m/s) 0.39 0.46 0.48 0.55 0.62 0.23 0.32
60 40 20 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
(Eksperimen)
(E T Berman )
1
Fraksi massa terpisahkan Gambar 11. Perbandingan Efisiensi Pemisahan Fasa Water Cut 64% dengan Hasil Penelitian Ega.T.Berman
8
Jw =0,40Jm/s= 0,62 Jk = 0,22 m/s mix
Jmix = 0,62 m/s Kerosene
Air
(a) Jw =0,40 m/s Jk = 0,22 m/s
Kerosene Air
(b)
Gambar 12. Pola aliran stratified pada Jw = 0,40 m/s dan Jk = 0,22 m/s. a) Inlet. b) Seksi uji
IV. SIMPULAN Dari hasil penelitian ini dapat diambil kesimpulan : 1. Pada hambatan aliran downstream sebesar 42 %, 57% dan 72% menghasilkan efisiensi pemisahan kerosene sebesar 100% pada kecepatan superficial campuran 0,62 m/s (Jw = 0,40 m/s dan Jk = 0,22 m/s), efisiensi 98% terjadi pada kecepatan superficial campuran 0,48 m/s (Jw =0,30 m/s dan Jk =0,18 m/s),sedangkan efisiensi 95% terjadi pada kecepatan superficial campuran 0,27 m/s (Jw = 0,15 m/s dan Jk = 0,12 m/s) 2. Efisiensi pemisahan maksimum sebesar 100% terjadi pada water cut 64% , dan pola aliran yang terbentuk adalah stratified . V. DAFTAR PUSTAKA Azzopardi B.J, Colman D.A, Nicholson D, 2002.Plant application of a T-junction as a partial phase separator. Trans I Chem E. Vol. 80, part A, pp 87-96. Conte G, Azzopardi B.J, 2003. Film thicness variation about a T-junction. International Journal of Multiphase Flow. Vol. 29, pp. 305-328. Berman Ega Taqwali, 2009. Studi eksperimental pengaruh variasi sudut T-junction terhadap karakteristik pemisahan kerosene-air. Tesis Universitas Gadjah Mada Yogyakarta. Rodriguez,O.M.H, 2006.experimental Study on Oil-Water Flow in Horizontal and Slightly Inclined Pipes. International Journal of Multiphase Flow. Vol. 32, pp. 323-343. Wang Li-yang, Wu Ying-xiang, Zheng Zhi-chu, Guo Jun, Zhang Jun, Tang Chi, 2007. Oilwater two-phase flow inside T-junction. Journal of Hydrodynamic. Vol. 20, pp.147-153 Yang L, Azzopardi B.J, 2006. Phase split of liquid-liquid two-phase flow at a horizontal T junction. International Journal of Multiphase Flow. Vol. 33 (2), pp. 207-216.
9
10
