THE EFFECTS INCLINATION OF DUCTS TO FLOODING PHENOMENA WITH OBSTACLE AT FLOWS AIR - WATER AND AIR - KEROSENE. - Politeknik Negeri Padang

  

PENGARUH KEMIRINGAN SALURAN TERHADAP FENOMENA FLOODING

DENGAN GANGGUAN PADA ALIRAN UDARA – AIR

DAN UDARA – MINYAK TANAH

THE EFFECTS INCLINATION OF DUCTS TO FLOODING

  

PHENOMENA WITH OBSTACLE AT FLOWS

AIR - WATER AND AIR - KEROSENE.

₁ Hendri Candra Mayana

  ¹ Dosen Program Studi Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang

  

ABSTRACT

Some equipments which are used in petroleum industries, chemical industries, steam

power-plants and nuclear reactors must avoid the flooding phenomena in order to work at

optimal condition. The purpose of this research is to investigate the effects of inclination and

obstacle on flooding onset at counter-current air-water and air-kerosene flows with porous

inlet and sharp outlet. The model of obstacle was conformed to industrial application i.e .pipe

joining or pipe scaling.

  Experiments were conducted in a plexyglass pipe of 25.4 mm diameter and 2500 mm _{o o}

length of test section at annular flow pattern. The variation of inclination of ducts are 90 , 80

_o

and 60 . The geometry of the obstacle is a ring with rectangular cross sectional which is

installed with a distance 600 mm or 1200 mm from the inlet.

  The result of the research indicated that the effects of inclination and obstacle of ducts

are significant toward flooding onset. Flooding phenomena was indicated with drastic increase

of pressure gradient above the liquid inlet. Flooding phenomena happened earlier of larger

inclination of the ducts and nearer obstacle of the inlet. This phenomena also early happened at

kerosene which have higher viscosity and lower surface tension than water.

  Key Word : Flooding; Counter-current flow; Inclination; Obstacle

  

INTISARI

  Beberapa peralatan yang dipergunakan dalam industri perminyakan, kimia, pembangkit listrik tenaga uap dan reaktor nuklir harus menghindari fenomena flooding agar unjuk kerjanya dalam kondisi optimal. Penelitian ini bertujuan melihat sejauh mana pengaruh kemiringan saluran dan pengganggu terhadap permulaan flooding pada aliran udara-air dan udara-minyak tanah berlawanan arah dengan inlet cairan porous dan outlet sharp. Model pengganggu yang dipakai dalam penelitian disesuaikan dalam aplikasi industri berupa sambungan pipa maupun endapan kerak (scaling) yang menonjol.

  Penelitian dilakukan pada daerah pola aliran cincin, mengunakan pipa plexyglass berdiameter 25,4 mm, panjang seksi uji 2500 mm. Variasi kemiringan saluran 90º, 80º dan 60º. Geometri pengganggu berupa cincin berpenampang persegi, dipasang dengan jarak 600 mm atau 1200 mm dari inlet.

  Hasil penelitian menunjukkan bahwa pengaruh kemiringan saluran dan pengganggu sangat signifikan terhadap flooding. Flooding ditandai dengan naiknya gradien tekanan diatas

  

inlet secara drastis. Flooding lebih awal terjadi pada kemiringan saluran yang lebih besar, pada

  saluran yang diberi media pengganggu lebih dekat dengan inlet. Fenomena ini juga lebih awal terjadi pada minyak tanah yang memiliki viskositas lebih tinggi dan tenganggan permukaan lebih rendah dibandingkan dengan air.

  Kata kunci : Flooding; Aliran dua fase berlawanan arah; Kemiringan; Pengganggu

  PENDAHULUAN

  Sistem aliran dua fase beranekaragam. Bila dilihat dari fase- fasenya terdiri dari fase gas-cair, gas- padat dan cair-padat. Berdasar kedudukan atau posisi saluran ada aliran mendatar (horizontal), aliran tegak (vertikal) dan miring, sedangkan bila ditinjau dari arah aliran fase-fasenya maka aliran ini terdiri dari aliran searah dan berlawanan arah. Pada sistem aliran dua fase gas-cair, aliran lapisan cairan ke bawah berlawanan arah dengan aliran gas ke atas (counter-current

  flow), banyak dijumpai dalam peralatan

  industri perminyakan, industri kimia, dan pusat pembangkit tenaga uap. Bila debit cairan atau gas melebihi harga kritisnya maka sebagian cairan ada yang terangkat ke atas searah dengan gas dan fenomena ini yang disebut flooding. Peristiwa

  flooding dapat dijumpai dalam reaktor

  nuklir. Bila inti reaktor menjadi kering sebagian atau seluruhnya, kemudian diusahakan pembasahan dari atas (guna pendinginan), air yang masuk ke inti mengalir ke bawah dilawan oleh uap yang ke atas hasil dari perpindahan panas atau

  flashing karena penurunan tekanan dan

  mengakibatkan gagalnya usaha pendinginan. Hal ini disebut dengan LOCA (loss of cooling accident).

  Selain itu flooding juga dapat dijumpai dalam peralatan-peralatan lain yang mengunakan aliran dua fase berlawanan arah, minsalnya dalam kondensor, evaporator, kolom distilasi, reaktor kimia gas-cair. Kondisi flooding ini merupakan transisi aliran berlawanan arah menjadi searah. Sebenarnya

  fenomena ini tidak diinginkan terjadi pada

  peralatan, karena dapat mempengaruhi kinerja peralatan tersebut, yang pada akhirnya merugikan industri.

TINJAUAN PUSTAKA

  Banyak hal yang dapat mempengaruhi terjadinya flooding pada suatu aliran dalam pipa, diantaranya geometri saluran, posisi saluran, viskositas cairan dan adanya pengganggu pada saluran. Seperti yang telah diungkapkan oleh beberapa peneliti sebelumnya mengenai fenomena terjadinya flooding serta hal-hal yang menpengaruhi terjadinya flooding.

  Chung dkk (1980) melakukan pengujian pengaruh ukuran pipa pada pipa vertikal, kondisi masukan, tegangan permukaan dan viskositas cairan terhadap

  flooding. Gardner (1983), melakukan

  penelitian tentang pengaruh tegangan permukaan terhadap terjadinya flooding, dari hasil penelitiannya menemukan bahwa fenomena flooding pada pipa vertikal dipengaruhi oleh tegangan permukaan. Indarto dan Wildan (1995) melakukan penelitian pengaruh posisi terjadi di daerah pengganggu aliran. Seno injector gas pada saluran vertical (2004) menyatakan bahwa pengganggu berdiameter 0,019 m. Flooding selalu pada aliran film dapat mempengaruhi dimulai dari bawah dengan adanya terjadinya flooding baik itu mengenai penyempitan saluran oleh film cairan. jarak dari pengganggu maupun geometri Zapke dan Kroger (2000), mempelajari dari pengganggu tersebut. Semakin besar efek geometri saluran terhadap flooding diameter pengganggu, flooding lebih dengan propertis cairan muda terjadi dan posisi pengganggu aliran

  Wibawa dan Indarto (2002) mempengaruhi terjadinya flooding melakukan eksperimen flooding pada semakin jauh dari injector cairan flooding pipa miring dengan variasi kemiringan lebih mudah terjadi. dan viskositas cairan. Hasil penelitian mereka menyatakan bahwa semakin besar LANDASAN TEORI viskositas cairan (air, air campur CMC) maka flooding terjadi pada kecepatan Berbagai macam pengamatan dan udara yang lebih rendah, dan pada eksperimen yang dilakukan pada kondisi kemiringan yang lebih besar. Mouza dkk flooding dan telah dianalisa korelasinya (2003) melakukan studi eksperimen secara statistik. Korelasi Wallis pengaruh pipa berdiameter kecil (6,7,8 merupakan korelasi yang paling banyak _{o o} dan 9 mm), sudut orientasi (30 -60 ) dan digunakan untuk menganalisa flooding, sifat cairan (air dan minyak tanah) karena untuk kondisi yang sangat luas. terhadap permulaan flooding. Flooding Fenomena flooding menurut korelasi akan lebih awal terjadi pada diameter pipa Wallis ditunjukan sebagai berikut:

  1

  1

  lebih besar (9mm), sudut orientasi lebih

  2

  2 g l

  ( J )  m ( J )  C besar fluida bervikositas tinggi.

  (1) Danang (2004) menyatakan dimana, dengan adanya pengganggu aliran film, _{1 2} J 

  flooding terjadi pada kecepatan gas yang g g * J  ₁ g ₂ lebih rendah (flooding lebih awal terjadi). g . D .(    )

    l g

  Semakin besar diameter pengganggu, (2)

  flooding lebih mudah terjadi. Untuk _{1 2} J 

• l l

  diameter pengganggu 30 mm permulaan

  J  l ¹ ₂ g . D .(    )

   l g  flooding terjadi di daerah injector udara,

  pada diameter 26 mm permulaan flooding (3)

  3 ²

  4 Q _g Kerja (kg/m ) (kg/m.s) (N/m ) _-7  J

• ^g
^{2 Udara} 1.2 1.8 x10

   D

• ^{-3 -3}

  Air 1000 1.0 x10 72 x10 _{-3 -3} Minyak 775 1.3 x10 27 x10

  (4)

  Tanah

  4 . Q

  l J  l

  2

  . D 

  (5) m = parameter yang harganya

  b. Alat penelitian

  tergantung pada sifat fisis

  Peralatan yang dipergunakan pada penelitian

  cairan dan gas, bila gaya

  ini secara skematis diperlihatkan pada gambar berikut ini.

  gravitasi lebih penting dari pada gaya viskositas maka bilangan Grashof akan cukup besar sehingga harga “m” dapat diambil sama dengan “1”. C = konstanta yang harganya

  (0.7-1.0) tergantung pada sistem percobaan yang dipakai terutama kondisi masuk dan keluar fluida kerja, bila kondisi ini cukup baik maka “C” dapat diambil sama dengan “1”. _{Penampung Flooding} (a) (b)

  CARA PENELITIAN a. Bahan penelitian

_{120 cm}

  Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah Udara sebagai _{Injektor INLET Pengganggu Model} gas kerja, sebagai cairan adalah air _{60 cm Pengganggu 1 Posisi} dan minyak tanah. Penelitian dilakukan pada suhu kamar. 60 cm _{250 cm Pengganggu 2 Posisi} Tabel 1 Sifat fisis fluida kerja

  Fluida ρ μ σ _α

  Debit udara diatur dengan menggunakan katub yang ada di injektor udara. Udara mengalir keatas menuju inlet cairan.

  Dalam penelitian ini kemiringan saluran yang divariasikan (90º, 80º, dan

  (b)

  60º), ditinjau pada saluran tanpa pengganggu dan saluran diberi

  Keterangan;

  1. Penampung

  8. Flowmeter pengganggu, dengan aliran udara – air flooding udara

  2. Inlet porous

  9. Pressure dan udara minyak tanah. Saat penelitian

  3. Penjebak udara gauge

  4. Saluran uji

  10. Tabung berlangsung, temperatur udara dan cairan

  5. Manometer udara kolom air

  11. Kompreso dalam saluran dianggap sama. Beda

  6. Outlet sharp r

  7. Injektor udara

  12. Flowmeter

  tekanan yang diukur yakni yang terjadi di

  air 13. Pompa bawah dan di atas inlet cairan.

  14. Penampu ng air

  Gambar.1 a; Skema alat uji, b; Model

HASIL DAN PEMBAHASAN

  seksi uji dan model media pengganggu 1.

  Mekanisme Flooding pada saluran tanpa media pengganggu

  Sirkulasi cairan di dalam Permulaan flooding pada saluran rangkaian peralatan ini digunakan pompa tanpa pengganggu selalu dimulai dari dan untuk udara digunakan kompressor. bawah, di daerah dekat pemasukan udara,

  Saluran seksi uji dari pipa Plexyglass ini menunjukkan bahwa gangguan pada diameter dalam 24,5 mm. Cairan lapisan cairan akibat interaksi antara dimasukan ke saluran melewati sebuah muka fase gas–cair berlawanan arah komponen yang disebut injektor cairan semakin ke bawah semakin besar. yang berada di bagian atas saluran. Cairan

  Gangguan aliran ini akan semakin besar mengalir ke bawah dalam bentuk lapisan apabila kecepatan gas dinaikkan.

  film pada dinding bagian dalam.

  2. Mekanisme Flooding pada Masukkan cairan pada injector dibuat

  saluran pakai media pengganggu

  berpori (porous), supaya cairan masuk Penempatan pengganggu di secara smooth, sehingga tidak terjadi sepanjang saluran mempunyai pengaruh gangguan awal yang timbul sewaktu terhadap mekanisme flooding. Lapisan cairan diinjeksikan ke dalam saluran. cairan yang terbentuk pada dinding sangat

  Udara yang dipakai dalam halus akan menjadi tidak halus ketika penelitian ini diambil dari kompresor. melewati gangguan. Adanya pengganggu berbentuk cincin berpenampang persegi flooding pada posisi vertikal dan miring di dinding saluran dalam, akan sama. Terjadinya interaksi antara udara mempersempit keliling permukaan dan cairan pada saluran, namun belum lapisan cairan. Dengan keliling yang lebih begitu besar pengaruhnya (a), disaat kecil, tebal lapisan cairan akan lebih besar penambahan debit udara pada permukaan untuk kondisi laju cairan yang sama. lapisan cairan mulai muncul gelombang Permulaan flooding selalu dimulai dekat (b), seiring dengan penambahan debit media pengganggu. udara gelombang yang muncul bertambah besar, sehingga sebagian dari cairan sudah

  3. Fenomena Flooding pada posisi

saluran vertikal (90º) ada yang terangkat keatas (c,d). Pada saat

_{Debit udara meningkat}

  debit udara berada pada titik maksimum hampir seluruh dari cairan naik ke atas (e). (b) (c) (d) (e)

  Gambar. 2 Fenomena flooding pada saluran

  Pada prinsipnya pengaruh

  vertikal (90º)

  kemiringan saluran terhadap fenomena

  flooding secara mekanisme tidak begitu

  nampak, namun berpengaruh pada awal terjadinya flooding, dimana pada posisi vertikal lebih awal terjadi dari pada posisi miring untuk debit cairan dan udara yang

  4. Fenomena Flooding pada saluran

  sama. Hal ini disebabkan pada posisi

  miring (80º dan 60º) _{Debit udara meningkat} miring, aliran cairan yang terjadi pada saluran tidak sempuna membentuk aliran

  (a) (b) (c) (d) (e) cicin, lebih cenderung lapisan cairan tebal

  Gambar 3 Fenomena Flooding pada posisi _o

  kearah kemiringan. Sehingga gangguan

  saluran miring (80 )

  yang terjadi pada aliran tidak merata, yang mengakibatkan gaya dorong cairan keatas lebih besar.

  1. Kecepatan Gas dan cairan pada Dari hasil pengamatan fenomena

  flooding dapat dilihat pada gambar 2 dan

  3. Secara umum proses terjadinya pengganggu yang berbeda, (b) Berbagai variasi kemiringan saluran, (c) Pada Air dan Minyak Tanah

  Hasil pengukuran keceptan gas(udara) pada saat flooding ditampilkan pada gambar 4 di atas. Terlihat bahwa flooding lebih awal terjadi pada kecepatan

5. Kecepatan Gas dan Cairan Saat

  gas(udara) yang lebih rendah. Untuk

  Flooding

  saluran yang mengunakan media pengganggu lebih awal terjadi flooding dari pada saluran tanpa media pengganggu. Hal ini karena pembentukan sumbatan pada saluran akibat adanya gangguan pada aliran. Pada kemiringan

  (a)

  saluran yang lebih besar dari posisi horizontal flooding lebih awal terjadi.

  Flooding lebih awal terjadi pada aliran

  udara-minyak tanah, yang memiliki viskositas lebih besar dan tegangan permukaan lebih kecil. Hasil pengukuran ini juga dibandingkan dengan korelasi Wallis.

  6. Gradien Tekanan yang terjadi saat Flooding

  (b)

  a. Gradien Tekanan di atas inlet (a) (c)

  Gambar.4. Hubungan kecepatan udara dan kecepatan cairan saat flooding terhadap; (a) Jarak media gradien tekanan yang terjadi di atas inlet cairan cukup tinggi saat flooding. Karena terjadinya penyempitan pada saluran dan terjadinya perubahan fase, dari satu fase menjadi dua fase di atas inlet cairan, kemudian gradien tekanan menjadi

  (b)

  berfluktuasi karena pola aliran dua fase yang melewati saluran tidak merata, cenderung plug-flow (aliran sumbatan)

  b. Gradien Tekanan di bawah inlet (c) Gambar 5. Hubungan antara gradient tekanan di

  Gradien tekanan dibawah inlet

  atas inlet cairan dengan debit udara terhadap ; (a) media pengganggu; (b) variasi kemiringan

  cairan pada saat sebelum terjadinya

  saluran; (c) air dan minyak tanah flooding, gradien tekanan cenderung

  konstan, ada pun kenaikannya secara Dari gambar 5 diatas dapat dilihat perlahan-lahan sangat kecil sekali. dimana fenomena flooding ditandai

  Kenaikan itu terjadi seiring dengan dengan kenaikan gradien tekanan secara dinaikkannya debit udara yang drastis di atas inlet cairan. Kemiringan diinjeksikan. Pada saat mencapai saluran dan media pengganggu yang puncaknya, terjadilah yang dinamakan dipasang pada saluran berpengaruh

  flooding yang kemudian gradien tekanan terhadap gradien tekanan.

  secara perlahan-lahanpun menjadi turun. Semakin besar kemiringan saluran

  Turunnya gradien tekanan ini, disebabkan dari posisi horizontal, maka gaya gravitasi karena fluida yang berada di bawah inlet yang mempengaruhi berat gelombang cairan sudah cenderung berganti menjadi akan mempengaruhi gradien tekanan yang satu fase yaitu fase gas, saat terjadi terjadi. Semakin besar gaya gravitasi yang

  flooding, sebagian fase air terbawa oleh

  terjadi semakin besar pula gradien fase gas keatas inlet cairan. tekanan yang ditimbulkan. Jadi Semakin besar kemiringan saluran maka gradien tekanan yang terjadi pun semakin besar.

  Dengan adanya media pengganggu pada saluran, mengakibatkan

DAFTAR PUSTAKA

  Gambar 5. Hubungan antara gradient tekanan di bawah inlet cairan dengan debit udara terhadap ; (a) media pengganggu; (b) variasi kemiringan saluran;

  (c) air dan minyak tanah KESIMPULAN

  Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa; Pengaruh kemiringan saluran dan media pengganggu sangat senifikan terhadap

  flooding. Flooding ditandai dengan

  naiknya gradien tekanan di atas inlet cairan secara drastis. Flooding lebih awal terjadi pada saluran yang mengunakan media pengganggu, pada posisi saluran vertikal (pada sudut kemiringan yang lebih besar), serta pada minyak tanah yang memiliki viskositas lebih besar dan tegangan permukaan yang rendah.

  Pada debit cairan dan udara yang sama, gradien tekanan di atas dan dibawah inlet cairan, pada saluran yang diberi pengganggu lebih besar terjadi dibandingkan dari saluran yang tidak berpengganggu. Baik itu pada saluran kemiringannya besar maupun yang kecil, begitu juga untuk jenis cairan yang berbeda.

  Chung K.S, Liu, C.P, Tien, C.L, 1980, ‘Flooding in Two Phase Counter Current Flow-II’,

  Physico Chemical Hydrodynamice, vol.I PP. 209-

  220. Danang, 2004, Pengaruh Jarak

  Pengganggu Terhadap Permulaan Flooding Inlet Smooth dan Outlet Sharp,

  Tesis, Program Pascasarjana UGM Yogyakarta. Drosos, E.I.P., Paras, S.V., Karabelas,

  A.J., 2003., Counter Current Gas Liquid flow in Vertical narrow ` Channel film Charakteristik and Flooding Phenomena, Chemical Engineering Comference for Colobarative research in Easten Mediterranean, Fance.

  Gardner, G.S, 1983, Glooded Counter Current Two Phase Flow in Horizontal Tube and

  (a) (b)

  (c) Channels, Int.J, Multi phase

  Flow, Vol.17, No.4, PP. 367- 382.

  Terhadap Permulaan Flooding Aliran Gas-Cair Berlawanan Arah Pada Saluran Vertikal Dengan Inlet dan Outlet Bellmouth, Tesis,

  perbandingan antara gaya inersia dengan gaya gravitasi. J g : kecepatan gas (m/s) J l : kecepatan cairan (m/s) ρ g : densitas gas (kg/m ³ )

  Froude dan menunjukan

  J ^{g *} & J ^{l *} : kecepatan permukaan (superficial velocity) tak berdimensi dari fase gas dan cairan analog dengan bilangan

  NOTASI

  Pascasarjana UGM Yogyakarta.

  Eksperimen Flooding pad Pipa Miring dengan Variasi Kemiringan dan Viskositas Cairan, Tesis, Program

  York. Wibawa E.J. dan Indarto, 2002, Studi

  Dimensional Two-Phase Flow’, McGraw Hill, New

  Program Pascasarjana UGM Yogyakarta. Wallis dan Graham B., 1969, ’One

  Seno D., 2004, Pengaruh Gangguan

  Indarto dan Waziz.M, 1995, Pengaruh Injektor Gas pada flooding didalam saluran berdiameter Kecil, Media Teknik, No. 1 tahun XVII.

  Corrugated Wall Visual Observations of liquid Distribution and flooding, Department of Chemical Engineering and Chemical Proses Engineering Research Institute Aristotle University of Thessaloniki, GREECE

  Paras, S.V., Drosos, E.I.P., Karabelas, A.J., and Chopard, F., 2003, Counter Current Gas Liquid flow Through Channel with

  Flow 29. 1395-1412

  2003, Incipient Flooding in Inclined Tubes of Small Diameter. Int. J. Multiphase

  Mouza, A.A, Pantzani, M.N, Paras, S.V dan Karabelas, A.J, 2003, The Influence of Liquid Properties on Flooding Phenomena in Small Diameter Tubes, Department Chemical Engineering and Chemical Process Engineering Research Institute Aristotle University of Thessaloniki Univ. Box 455, Greece. Mouza, A.A, Paras, S.V, Karabelas, A.J,

  Mouza, A.A, Paras, S.V dan Karabelas, A.J, 2002, The Influence of small Tube Diameter and Inclination Angle on Flooding Phenomena, Department Chemical Engineering and Chemical Process Engineering Research Institute Aristotle University of Thessaloniki Univ. Box 455, Greece.

  Sciences Conference, Heidelberg, Germany.

  A.J, 2000, Visual Observations of Flooding in Inclined Small Diameter Tubes, European Thermal

  Mirmanto dan Indarto, 2000, Flooding pada Pipa Vertikal Sistem Sharp Entrance; Pengaruh Panjang Pipa dan Geometri Oulet, Media Teknik No.2 tahun XXII. Mouza, A.A, Paras, S.V dan Karabelas,

  ρ ^l : densitas cairan (kg/m ³ )