STUDI EKSPERIMENTAL ALIRAN CAMPURAN AIR-CRUDE OIL YANG MELALUI PIPA PENGECILAN MENDADAK HORIZONTAL BERPENAMPANG LINGKARAN - Diponegoro University | Institutional Repository (UNDIP-IR)
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
L2E007035
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2012
i
TUGAS SARJANA
Diberikan Kepada
: Fatih Khamdani
NIM. L2E 007 035
Dosen Pembimbing
: Dr. Ir. Eflita Yohana, M.T.
Dosen Co. Pembimbing
: Ir. Arijanto, M.T.
Jangka Waktu
: 9 bulan
Judul
: Studi Eksperimental Aliran Campuran Air-Crude
Oil yang Melalui Pipa Pengecilan Mendadak
Horizontal Berpenampang Lingkaran
Isi Tugas
: 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. 196204281990012001
Co. Pembimbing
Ir. Arijanto, M.T.
NIP.195301211983121001
ii
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
: L2E007035
Tanda Tangan
:
Tanggal
:
Desember 2012
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh :
NAMA
: Fatih Khamdani
NIM
: L2E007035
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. 1971042019980210
iv
HALAMAN PERNYATAAN
PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR
UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIK
Sebagai civitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di
bawah ini:
Nama
: Fatih Khamdani
NIM
: L2E007035
Jurusan/Program Studi
: Teknik Mesin
Fakultas
: Teknik
Universitas
: 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. L2E007035
v
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 7000-22000
Pa. Sedangkan nilai rata-rata koefisien rugi kontraksi berkisar
antara 0.3-0.9. 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
rugi kontraksi
tekanan, koefisien
vi
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 7000-22000 Pa. While the average of contraction loss coefficient
values ranged between 0.3-0.9. 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
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
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
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL …………………………………………………………………..
i
HALAMAN TUGAS SARJANA ……………………………………………………..
ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ….…………………………………..
iii
HALAMAN PENGESAHAN …...…………………………………………………….
iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ……………………….
v
ABSTRAK ……………………………………………………………………………..
vi
ABSTRACT ………..………………………………………………………………….
vii
HALAMAN PERSEMBAHAN …...…………………………………………………..
viii
KATA PENGANTAR ..………………………………………………………………..
ix
DAFTAR ISI ……….………………………………………………………………….
x
DAFTAR GAMBAR …………………………………………………………………..
xiii
DAFTAR TABEL ….………………………………………………………………….
xv
DAFTAR LAMPIRAN ….…………………………………………………………….
xvi
NOMENKLATUR ………………………………………………………………….....
xvii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ……………………………………………………...............
1
1.2 Tujuan ………..…………………………………………………………......
2
1.3 Batasan Masalah …..……………………………………………………......
2
1.4 Metodologi Penelitian ..…………………………………………………......
3
1.5 Sistematika Penulisan …..………………………………………………......
4
BAB II DASAR TEORI
2.1 Sifat Dasar Fluida…………………………………………………………….
5
2.1.1 Berat Jenis ………………………………………………………………
5
2.1.2 Kerapatan ……....……………………………………………………….
6
2.1.3 Kerapatan Relatif ……………………………………………………….
6
2.1.4 Tekanan ………………………………………………………………...
6
x
2.1.5 Temperatur ……………………………………………………………...
9
2.1.6 Kekentalan ……………………………………………………………...
9
2.2 Aliran Fluida Dalam Pipa …………….……………………………………... 12
2.2.1 Aliran Laminar dan Turbulen dalam Pipa ………….…………………..
13
2.2.1.1 Aliran Laminar …………………………………………………..
15
2.2.1.2 Aliran Turbulen ……………………………………………….....
18
2.2.2 Persamaan Kontinuitas …………………………………………………
20
2.2.3 Persamaan Dasar Bernoulli …………………………………………….
21
2.2.4 Aliran Berkembang Penuh ……………………………………………..
23
2.2.5 Distribusi Kecepatan, Tegangan Geser dan Kapasitas Aliran …….…..
25
2.3 Aliran
Fluida
Air-Minyak
yang
Mengalir
Melalui
Pipa
Sudden
Contraction..………………………………………………………………….
2.3.1 Pola Aliran Air-Minyak yang Mengalir pada Pipa Horisontal ..……….
26
27
2.3. 2.3.1.1 Klasifikasi Pola Aliran ..…………………………………………. 27
2.3. 2.3.1.2 Parameter yang Memengaruhi Pola Aliran ..…………………….
32
2.3.2 Rugi-Rugi Aliran
33
2.3. 2.3.2.1 Kerugian Mayor ……....…………………………………………. 33
2.3. 2.3.2.2 Kerugian Minor ..………..……………………………………….
37
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir …………………………..……………………………………
45
3.2 Variabel Penelitian ………………….....……………………………………
46
3.3 Peralatan Uji ..………………………………………………………………
46
3.3.1 Instalasi Pengujian ..…………………………………………………...
47
3.3.2 Pompa Sentrifugal ..……………………………………………………
48
3.3.3 Tangki Penampung dan Alat Penyampur ..……………………………
48
3.3.4 Seksi Uji ..……………………………………………………………...
49
3.3.5 Injeksi ..………………………………………………………………...
49
3.3.6 Alat Ukur dan Kontrol ..……………………………………………….
49
3.4 Fluida Uji …………………………………………………………...............
50
xi
3.5 Prosedur Pengujian …………………………………………………............
51
BAB IV ANALISIS DATA DAN PENGHITUNGAN
4.1 Analisis Data ………………………………………………………………..
53
4.1.1 Hasil Pengujian ………..………………………………………………
54
2.3. 4.1.1.1 Visualisasi Pola Aliran .…………………………………………
55
2.3. 4.1.1.2 Data Pengukuran pada Manometer U …………………………..
56
4.1.2 Pengolahan Data ….……………………………………………………
57
4.2 Pembahasan …………………………..……………………………………..
61
4.2.1 Visualisasi Pola Aliran .………………………………………………..
61
4.2.2 Penurunan Tekanan pada Pipa Pengecilan Mendadak ….……………
62
4.2.3 Koefisien Rugi Kontraksi ………………..………….………………...
64
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan …………………………………………………………………
67
5.1 Saran ………………………………………………………………………..
67
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xii
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 …...
21
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
29
kecepatan minyak, untuk kecepatan aliran air konstan rendah 0,03 m/s
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
36
Gambar 2.22 Koefisien kerugian berbagai bentuk ujung masuk pipa (inlet) :
(a) reentrant, K = 0,8, (b) sharp edged, K = 0,5, (c)
37
slightly rounded, K = 0,2 dan (d) well rounded, K = 0,04
Gambar 2.23 Karakter aliran di belokan dan koefisien kerugian yang terkait ……...
38
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 ………………...
42
Gambar 2.27 Sudden contraction …………………………………………………….
43
Gambar 3.1
Diagram alir penelitian …………………………………………………
46
Gambar 3.2
Instalasi pengujian ……………………………………………………...
47
Gambar 4.1
Grafik penurunan tekanan pada pipa pengecilan mendadak dengan
variasi laju aliran dan penambahan fraksi volume crude oil …..….......
Gambar 4.2
62
Grafik penurunan tekanan dengan variasi laju aliran dan penambahan
fraksi volume crude oil …..……………………………………………..
Gambar 4.3
Perbandingan nilai gradient tekanan dari hasil eksperimen …………..
63
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
66
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 ………………………………………………………………...
50
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 …………...
55
Tabel 4.3 Data hasil pengamatan manometer U ………………………………………
56
Tabel 4.4 Nilai rata-rata koefisien rugi kontraksi k…………………………………………
66
xv
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A Instalasi Percobaan
LAMPIRAN B Visualisasi Aliran
LAMPIRAN C Tabel Penghitungan Lengkap
LAMPIRAN D Pembuktian Rumus
xvi
NOMENKLATUR
Simbol
Definisi
Satuan
w
Air
-
o
Crude oil
-
m
Campuran air-crude oil
-
m
Massa
(kg)
ρ
Kerapatan/densitas
(kg/m3)
ρmer
Densitas mercury
(kg/m3)
Volume
(m3)
SG
Specific gravity
-
W
Berat
(N)
Berat jenis
(N/m3)
g
Percepatan gravitasi
(m/s2)
F
Gaya, gaya pembebanan
(N)
P
Tekanan
(Pa)
A
Luas penampang
(m2)
h
Kedalaman
(m)
ph
u/y
Tekanan hidrostatis
(N)
Gradien kecepatan
(s-1)
Viskositas dinamik
(Pa s)
Tegangan geser
(N/m2)
Viskositas kinematik
(m2/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
(m3/s)
p/ρg
Head tekanan
(m)
Head kecepatan
(m)
2
V /2g
xvii
z
Head ketinggian/head elevasi
(m)
P gauge
Tekanan Gauge
(Pa)
P atm
Tekanan atmosfer
(Pa)
Ep
Energi potensial
(J)
Ek
P
Energi kinetik
(J)
Energy tekanan
(J)
H
Head
(m)
C
p
Konsentrasi
-
Penurunan tekanan
(Pa)
f
Faktor gesekan
-
hl
Rugi head
(m)
K
Koefisien rugi
(m)
d1
Diameter pipa kecil
(m)
d2
Diameter pipa besar
(m)
Rasio diameter pipa
(m)
hf
Kerugian energy gesek per satuan massa
(m2/s2)
xviii
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
L2E007035
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2012
i
TUGAS SARJANA
Diberikan Kepada
: Fatih Khamdani
NIM. L2E 007 035
Dosen Pembimbing
: Dr. Ir. Eflita Yohana, M.T.
Dosen Co. Pembimbing
: Ir. Arijanto, M.T.
Jangka Waktu
: 9 bulan
Judul
: Studi Eksperimental Aliran Campuran Air-Crude
Oil yang Melalui Pipa Pengecilan Mendadak
Horizontal Berpenampang Lingkaran
Isi Tugas
: 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. 196204281990012001
Co. Pembimbing
Ir. Arijanto, M.T.
NIP.195301211983121001
ii
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
: L2E007035
Tanda Tangan
:
Tanggal
:
Desember 2012
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh :
NAMA
: Fatih Khamdani
NIM
: L2E007035
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. 1971042019980210
iv
HALAMAN PERNYATAAN
PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR
UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIK
Sebagai civitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di
bawah ini:
Nama
: Fatih Khamdani
NIM
: L2E007035
Jurusan/Program Studi
: Teknik Mesin
Fakultas
: Teknik
Universitas
: 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. L2E007035
v
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 7000-22000
Pa. Sedangkan nilai rata-rata koefisien rugi kontraksi berkisar
antara 0.3-0.9. 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
rugi kontraksi
tekanan, koefisien
vi
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 7000-22000 Pa. While the average of contraction loss coefficient
values ranged between 0.3-0.9. 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
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
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
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL …………………………………………………………………..
i
HALAMAN TUGAS SARJANA ……………………………………………………..
ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ….…………………………………..
iii
HALAMAN PENGESAHAN …...…………………………………………………….
iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ……………………….
v
ABSTRAK ……………………………………………………………………………..
vi
ABSTRACT ………..………………………………………………………………….
vii
HALAMAN PERSEMBAHAN …...…………………………………………………..
viii
KATA PENGANTAR ..………………………………………………………………..
ix
DAFTAR ISI ……….………………………………………………………………….
x
DAFTAR GAMBAR …………………………………………………………………..
xiii
DAFTAR TABEL ….………………………………………………………………….
xv
DAFTAR LAMPIRAN ….…………………………………………………………….
xvi
NOMENKLATUR ………………………………………………………………….....
xvii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ……………………………………………………...............
1
1.2 Tujuan ………..…………………………………………………………......
2
1.3 Batasan Masalah …..……………………………………………………......
2
1.4 Metodologi Penelitian ..…………………………………………………......
3
1.5 Sistematika Penulisan …..………………………………………………......
4
BAB II DASAR TEORI
2.1 Sifat Dasar Fluida…………………………………………………………….
5
2.1.1 Berat Jenis ………………………………………………………………
5
2.1.2 Kerapatan ……....……………………………………………………….
6
2.1.3 Kerapatan Relatif ……………………………………………………….
6
2.1.4 Tekanan ………………………………………………………………...
6
x
2.1.5 Temperatur ……………………………………………………………...
9
2.1.6 Kekentalan ……………………………………………………………...
9
2.2 Aliran Fluida Dalam Pipa …………….……………………………………... 12
2.2.1 Aliran Laminar dan Turbulen dalam Pipa ………….…………………..
13
2.2.1.1 Aliran Laminar …………………………………………………..
15
2.2.1.2 Aliran Turbulen ……………………………………………….....
18
2.2.2 Persamaan Kontinuitas …………………………………………………
20
2.2.3 Persamaan Dasar Bernoulli …………………………………………….
21
2.2.4 Aliran Berkembang Penuh ……………………………………………..
23
2.2.5 Distribusi Kecepatan, Tegangan Geser dan Kapasitas Aliran …….…..
25
2.3 Aliran
Fluida
Air-Minyak
yang
Mengalir
Melalui
Pipa
Sudden
Contraction..………………………………………………………………….
2.3.1 Pola Aliran Air-Minyak yang Mengalir pada Pipa Horisontal ..……….
26
27
2.3. 2.3.1.1 Klasifikasi Pola Aliran ..…………………………………………. 27
2.3. 2.3.1.2 Parameter yang Memengaruhi Pola Aliran ..…………………….
32
2.3.2 Rugi-Rugi Aliran
33
2.3. 2.3.2.1 Kerugian Mayor ……....…………………………………………. 33
2.3. 2.3.2.2 Kerugian Minor ..………..……………………………………….
37
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir …………………………..……………………………………
45
3.2 Variabel Penelitian ………………….....……………………………………
46
3.3 Peralatan Uji ..………………………………………………………………
46
3.3.1 Instalasi Pengujian ..…………………………………………………...
47
3.3.2 Pompa Sentrifugal ..……………………………………………………
48
3.3.3 Tangki Penampung dan Alat Penyampur ..……………………………
48
3.3.4 Seksi Uji ..……………………………………………………………...
49
3.3.5 Injeksi ..………………………………………………………………...
49
3.3.6 Alat Ukur dan Kontrol ..……………………………………………….
49
3.4 Fluida Uji …………………………………………………………...............
50
xi
3.5 Prosedur Pengujian …………………………………………………............
51
BAB IV ANALISIS DATA DAN PENGHITUNGAN
4.1 Analisis Data ………………………………………………………………..
53
4.1.1 Hasil Pengujian ………..………………………………………………
54
2.3. 4.1.1.1 Visualisasi Pola Aliran .…………………………………………
55
2.3. 4.1.1.2 Data Pengukuran pada Manometer U …………………………..
56
4.1.2 Pengolahan Data ….……………………………………………………
57
4.2 Pembahasan …………………………..……………………………………..
61
4.2.1 Visualisasi Pola Aliran .………………………………………………..
61
4.2.2 Penurunan Tekanan pada Pipa Pengecilan Mendadak ….……………
62
4.2.3 Koefisien Rugi Kontraksi ………………..………….………………...
64
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan …………………………………………………………………
67
5.1 Saran ………………………………………………………………………..
67
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xii
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 …...
21
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
29
kecepatan minyak, untuk kecepatan aliran air konstan rendah 0,03 m/s
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
36
Gambar 2.22 Koefisien kerugian berbagai bentuk ujung masuk pipa (inlet) :
(a) reentrant, K = 0,8, (b) sharp edged, K = 0,5, (c)
37
slightly rounded, K = 0,2 dan (d) well rounded, K = 0,04
Gambar 2.23 Karakter aliran di belokan dan koefisien kerugian yang terkait ……...
38
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 ………………...
42
Gambar 2.27 Sudden contraction …………………………………………………….
43
Gambar 3.1
Diagram alir penelitian …………………………………………………
46
Gambar 3.2
Instalasi pengujian ……………………………………………………...
47
Gambar 4.1
Grafik penurunan tekanan pada pipa pengecilan mendadak dengan
variasi laju aliran dan penambahan fraksi volume crude oil …..….......
Gambar 4.2
62
Grafik penurunan tekanan dengan variasi laju aliran dan penambahan
fraksi volume crude oil …..……………………………………………..
Gambar 4.3
Perbandingan nilai gradient tekanan dari hasil eksperimen …………..
63
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
66
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 ………………………………………………………………...
50
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 …………...
55
Tabel 4.3 Data hasil pengamatan manometer U ………………………………………
56
Tabel 4.4 Nilai rata-rata koefisien rugi kontraksi k…………………………………………
66
xv
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A Instalasi Percobaan
LAMPIRAN B Visualisasi Aliran
LAMPIRAN C Tabel Penghitungan Lengkap
LAMPIRAN D Pembuktian Rumus
xvi
NOMENKLATUR
Simbol
Definisi
Satuan
w
Air
-
o
Crude oil
-
m
Campuran air-crude oil
-
m
Massa
(kg)
ρ
Kerapatan/densitas
(kg/m3)
ρmer
Densitas mercury
(kg/m3)
Volume
(m3)
SG
Specific gravity
-
W
Berat
(N)
Berat jenis
(N/m3)
g
Percepatan gravitasi
(m/s2)
F
Gaya, gaya pembebanan
(N)
P
Tekanan
(Pa)
A
Luas penampang
(m2)
h
Kedalaman
(m)
ph
u/y
Tekanan hidrostatis
(N)
Gradien kecepatan
(s-1)
Viskositas dinamik
(Pa s)
Tegangan geser
(N/m2)
Viskositas kinematik
(m2/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
(m3/s)
p/ρg
Head tekanan
(m)
Head kecepatan
(m)
2
V /2g
xvii
z
Head ketinggian/head elevasi
(m)
P gauge
Tekanan Gauge
(Pa)
P atm
Tekanan atmosfer
(Pa)
Ep
Energi potensial
(J)
Ek
P
Energi kinetik
(J)
Energy tekanan
(J)
H
Head
(m)
C
p
Konsentrasi
-
Penurunan tekanan
(Pa)
f
Faktor gesekan
-
hl
Rugi head
(m)
K
Koefisien rugi
(m)
d1
Diameter pipa kecil
(m)
d2
Diameter pipa besar
(m)
Rasio diameter pipa
(m)
hf
Kerugian energy gesek per satuan massa
(m2/s2)
xviii