PERCOBAAN LABORATORIUM UNTUK MENENTUKAN HUBUNGAN ANTARA KECEPATAN DAN FRAKSI KETINGGIAN DI DALAM PIPA HORIZONTAL
TUGAS AKHIR Oleh ZAINUL MANAN NIM 12204043
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Perminyakan Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan Institut Teknologi Bandung
PROGRAM STUDI TEKNIK PERMINYAKAN FAKULTAS TEKNIK PERTAMBANGAN DAN PERMINYAKAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2010
LEMBAR PENGESAHAN
PERCOBAAN LABORATORIUM UNTUK MENENTUKAN HUBUNGAN ANTARA KECEPATAN DAN FRAKSI KETINGGIAN DI DALAM PIPA HORIZONTAL
TUGAS AKHIR Oleh ZAINUL MANAN NIM 12204043
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Perminyakan Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan Institut Teknologi Bandung
Disetujui oleh: Pembimbing Tugas Akhir,
Ir. Leksono Mucharram, MSc. Ph.D NIP : 130 890 236
KATA PENGANTAR
Puji syukur senantiasa kita panjatkan kepada Tuhan Semesta Alam, Alloh SWT, yang selalu memberikan kehidupan kepada kita semua. Sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Dalam pembuatan Tugas Akhir ini, tentunya saya mendapatkan bimbingan, kritikan dan bantuan dari banyak orang di sekitar saya. Oleh karena itu saya ingin memberikan ucapan terimakasih kepada : 1. Keluarga yang selalu memberikan dukungan 2. Mas Leksono Mucharram, selaku pembimbing TA saya, yang telah sabar memberikan arahan kepada saya, memberikan ilmu yang terbaik buat saya dan ikhlas menunggu lama karena TA-nya belum selasai-selesai. 3. Mas Pudji Permadi, yang telah sabar menjadi dosen wali saya selama saya di ITB. 4. Warga Oppinet yang telah menghiasi hari-hari saya selama menunggu kelulusan ini. 5. TM-04 ITB yang telah bersama-sama berjuang dari mulai masuk ITB sampai saat ini. 6. Gilang Tape yang telah mengajari cara membuat software untuk TA saya ini. 7. Teman-teman kostn Tubis XV No.21 dan PPR C-10 yang telah menjadi keluarga baru buat saya. 8. Dan semua pihak yang telah membantu saya selama pembuatan TA ini. Saya menyadari bahwa Tugas Akhir saya ini masih jauh dari kesempurnaan, sehingga saya tetap akan menerima saran dan kritikan, supaya Tugas Akhir saya ini bisa lebih baik lagi. Semoga Tugas Akhir saya ini akan bermanfaat.
Bandung, Maret 2010 Zainul Manan
PERCOBAAN LABORATORIUM UNTUK MENENTUKAN HUBUNGAN ANTARA KECEPATAN DAN FRAKSI KETINGGIAN DI DALAM PIPA HORISONTAL An experiment laboratory which determine relationship between velocity and fluid level fraction in horizontal pipeline
Oleh : Zainul Manan* Leksono Mucharram** Program Studi Teknik Perminyakan Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan Institut Teknologi Bandung
Sari Dalam dunia perminyakan, aliran sangat berpengaruh terhadap kelancaran sebuah perjalanan minyak dari reservoir menuju tempat-tempat pengisian bahan bakar. Pada lapangan minyak khususnya di permukaan, untuk menghubungkan antara kepala sumur dengan tempat penampungan minyak total yaitu menggunakan pipa. Pipa yang digunakan pun berbeda-beda diameternya. Perbedaan pipa mempengaruhi laju aliran di dalam pipa tersebut. Untuk sekarang ini, persamaan aliran di dalam pipa dianggap bahwa cairan mengisi seluruh bagian pipa. Padahal, pada kenyataanya jika kecepatannya kecil dan pipanya besar, mungkin cairan itu hanya mengisi sebagian pipa saja. Oleh karena itulah percobaan ini ditujukan untuk mencari hubungan antara fraksi ketinggian di dalam pipa dengan kecepatan, yang bisa digunakan untuk menghitung pada semua ukuran pipa. Abstract In the petroleum side, the flow is very influential on the smoothness of a journey of oil from the reservoir to refueling places. Specificcally, in the surface oil field, to connect between the wellhead to oil receiving unit using pipes. Pipe used in various diameter. The pipe differences affect the rate of flow in the pipe. For now, the equation of pipe flow is considered that the liquid fills the entire pipe section. And, in fact if the velocity is small and the pipe is large, the liquid may only fill part of the pipe. Hence, this experiment aimed to find the relationship between the fluid level fraction in the pipe with velocity, which can be used to count on all pipe sizes.
Keywords : flowrate, velocity, fluid level fraction, horizontal pipeline
*)
Mahasiswa, Program Studi Teknik Perminyakan ITB
**)
Dosen Pembimbing, Program Studi Teknik Perminyakan ITB
[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
Halaman 1
I.
gaya-gaya geser viskos yang memberikan
Pendahuluan Pada sebuah aliran fluida, faktor
tahanan terhadap gerakan relatif lapisan-
kecepatan, pipa, friksi dan pengendapan
lapisan fluida yang bersebelahan. Lapisan-
sangat menentukan supaya aliran fluida
lapisan yang berdekatan, saling tukar-
menjadi optimum. Pada saat fluida mengalir
menukar momentum secara molekular saja.
di sebuah pipa, maka laju alir dan diameter
Apabila lapisan-lapisan yang berdekatan
pipa
fluida
bergerak dengan kecepatan yang berbeda-
tersebut mengisi penuh pipa tersebut atau
beda dan arah gerak dari masing-masing
mengisi sebagian saja karena mungkin laju
partikel
alirnya kecil dan diameternya terlalu besar.
memotong, maka aliran tersebut disebut
akan
menentukan
apakah
Untuk menghitung debit aliran yang
aliran
fluida
menyilang
turbulen.
dan
Pertukaran
saling
momentum
mengalir selama selang waktu tertentu
terjadi dalam arah melintang. Aliran transisi
dinyatakan dalam hubungan :
berada di tengah-tengah, dalam artian sifatsifatnya
V t
q
kadang-kadang
menunjukkan
laminer dan kadang-kadang turbulen.
Dengan keterangan : Asumsi
q = laju alir (m3/detik)
yg
V = volume air (m3)
percobaan ini yaitu :
t
-
= waktu pengukuran (detik)
dipergunakan
untuk
Aliran yang terjadi di dalam pipa laminer
untuk menghitung kecepatan aliran di dalam pipa bisa dihitung menggunakan hubungan
-
Pipa horizontal sempurna
persamaan berikut
-
Faktor angin dan temperatur tidak berpengaruh secara signifikan
q A
v
-
Diameter semua pipa sama.
Dengan keterangan v
= kecepatan (m/detik)
A
= luas area (m2)
q
= laju alir (m3/detik)
II. Metodologi Untuk mengetahui hubungan antara kecepatan dan fraksi ketinggian, penulis menggunakan metodologi berupa percobaan
Sifat aliran cair dapat diklasifikasikan atas aliran laminer dan aliran turbulen. Serta aliran transisi yang berada di tengah-tengah antara kedua sifat tersebut. Suatu cairan disebut
laminer
apabila
lapisan-lapisan
fluida yang berdekatan bergerak dengan kecepatan yang sama (atau hampir sama) dan garis gerak dari masing-masing partikel fluida
tidak
berpotongan.
saling
menyilang
Kecenderungan
ke
atau arah
ketakstabilan dan turbulensi diredam oleh [Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
laboratorium. Dikarenakan tidak adanya software atau persamaan yang digunakan menentukan hubungan ini. Percobaan yang penulis rancang yaitu berupa rangkaian pipa yang terhubung untuk mengalirkan fluida (air
berwarna)
dari
tangki
kemudian
dihubungkan dengan pipa transparan. Pada saat fluida mengalir pada pipa transparan maka akan terlihat pola aliran dan bisa diukur
ketinggiannya.
Kemudian
fluida
mengalir ke dalam tangki sehingga bisa Halaman 2
diukur volumenya dalam satuan waktu yang dihitung.
Diameter 2 inch Data yang diperoleh :
Bagan dari percobaan ini bisa dilihat dalam
1.
lampiran
(i).
Terlihat
bahwa
Volume
= 5 liter
Waktu
= 31.65 detik, 32.76
perlengkapan dari percobaan ini terdiri dari : 1.
Tangki, ada dua buah tangki. Yang
detik, dan 32.17 detik Fraksi ketinggian
= 11/26
pertama berukuran 1000 liter sebagai penyimpan
awal
sebelum
fluida
Contoh perhitungan :
mengalir ke pipa transparan. Dan tangki 50 liter digunakan untuk mengukur
Fraksi ketinggian =
11 26
0.42307
volume fluida dan menampung fluida sebelum dipompakan ke tangki 100
Waktu rata-rata =
liter. 2.
t
Valve, digunakan untuk mengatur laju
31.65 32.76 32.17 3
32.19 det ik
aliran 3.
Sieve
(saringan),
digunakan
untuk
meredam laju aliran fluida dari tangki sehingga fluidanya tidak berbuih 4.
Pipa, ada 2 macam pipa. Pipa transparan
Laju alir =
q q
dan pipa PVC (polyvinyl chloride). Pipa
5 liter liter 0.155 32.19 det ik det ik 3 3 0.001 m 4 m = 1.55 10 det ik 1 liter
transparan digunakan untuk mengamati ketinggian fluida dan kelakuan fluida
Luas pipa =
pada saat mengalir. Sedangkan pipa PVC digunakan untuk menyalurkan fluida kembali ke tangki dan sistemnya diasumsikan tertutup. 5.
Pompa,
pompa
digunakan
untuk
A A A
d2 4
3.14 2 2 4 0.00064516 m 2 3.14inch 2 1 inch 2 2.025 10 3 m 2
memompa fluida dari tangki 50 liter ke tangki 1000 liter. 6.
Kecepatan =
Level meter, digunakan untuk mengukur ketinggian
fluida
di
dalam
pipa
v
lajualir luas
v
0.0765
transparan.
1.55 10 4 m3 2.025 10 3 m 2 . det ik
m det ik
III. Hasil Percobaan Dari percobaan ini, diperoleh data berupa waktu fluida mengalir, volume, dan fraksi ketinggian di dalam pipa. Dari data tersebut kemudian dilakukan perhitungan seperti dibawah ini :
[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
Halaman 3
Sehingga diperoleh data sebagai berikut : Tabel 2. Data hsil perhitungan pipa 1.75 inch Tabel 1. Data hasil perhitungan pipa 2 inch
Fraksi ketinggian
Kecepatan (m/s)
Fraksi ketinggian
Kecepatan (m/detik)
0.388
0.0750
0.396
0.0561
0.444
0.1092
0.423
0.0767
0.500
0.1356
0.461
0.1124
0.583
0.2272
0.500
0.1437
0.667
0.3033
0.538
0.1679
1.000
0.7334
0.576
0.1925
0.615
0.2195
Dari data tersebut kemudian dibuat grafik
0.653
0.2599
dan dibuat persamaan yang mendekati pola
1.000
0.7383
sebaran data tersebut :
Dari data tersebut kemudian dibuat grafik
S = 0.01988175 r = 0.99855937
1.1
0
sebaran data tersebut :
0.9
2
0.7
3
0.5
5
0.3
7
0.1
8
fraksi ketinggian
S = 0.01933992 r = 0.99765882
1.1
0
0.9
2
0.7
3
fraksi ketinggian
dan dibuat persamaan yang mendekati pola
0 0.0 0.0
0.1
0.3
0.4
0.5
0.7
0.8
kecepatan (m/s) 0.5
5
0.3
7
0.1
8
Gambar 2. Plot kecepatan vs fraksi ketinggian pipa 1.75 inch
0 0.0 0.0
0.1
0.3
0.4
0.5
0.7
0.8
Persamaan dari grafik di atas adalah :
kecepatan (m/s)
Gambar 1. Plot kecepatan vs fraksi ketinggian pipa
y
2 inch
Persamanan dari grafik diatas adalah :
y
1 76.469852 - 75.654823 x 0.0076915712
1 81.974781 - 81.176818 x 0.0077867663
IV. Pengembangan perangkat lunak (software) Pengembangan untuk
2.
Diameter 1.75 inch Dengan menggunakan perhitungan yang sama, untuk diameter 1.75 inch diperoleh sebaran data sebagai berikut :
memudahkan
software
bertujuan
perhitungan
fraksi
ketinggian di dalam pipa. Secara umum software ini terdiri dari input, output dan tampilan grafik. 1.
Input Input terdiri dari 2 bagian. User (pemakai) bisa memilihnya. Bagian
[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
Halaman 4
pertama terdiri dari laju alir dan diameter,
bagian
kedua
hanya
menggunakan kecepatan fluida. Untuk memakai
software
ini
hanya
membutuhkan data bagian 1 atau bagian 2 saja.
Gambar 5. Potongan Interface Software Bagian Grafik
Penulisan bahasa pemrograman ini dibuat Gambar 3. Potongan Interface Software Bagian Input
menggunakan
Matlab.
Dan
pengembangan software-nya menggunakan GUI Matlab. Secara umum tampilan softwarenya
2.
Output
seperti gambar 6 ini :
Outputnya merupakan fraksi ketinggian. Nilainya
akan
dicantumkan
pada
rentang 0.1 – 1. Jika hasil perhitungan menunjukkan nilai di bawah 1 maka akan tertulis pesan ‘ kecepatan fluida terlalu kecil ‘, sedangkan jika nilainya melebihi 1, maka akan keluar pesan ‘ fluida telah memenuhi pipa’. Gambar 6. Interface Software
V. Analisa Grafik
persamaan
tersebut
menunjukan hubungan antara kecepatan dan fraksi Gambar 4. Potongan Interface Software Bagian Output
ketinggian.
Melihat
dari
pola
persamaan, bahwa pada mula-mula data dari fraksi 0 – 0.3 data yang diperoleh sedikit. Hal
3.
Grafik Grafik digunakan sebagai ilustrasi dari persamaan. Nilai dari hasil perhitungan fraksi ketinggian akan diperlihatkan dalam bentuk titik (dot).
tersebut
terjadi
karena,
memang
kecepatan yang terjadi pada mula-mula sangat kecil sehingga aliranya cenderung tidak stabil. Kemudian pola sebaran dari fraksi 0.7 – 1 juga sedikit datanya, hal itu terjadi karena pada fraksi tersebut aliranya sudah tidak beraturan dan karena adanya sambungan
[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
pipa
sehingga
aliranya Halaman 5
bergelombang.
Hal
tersebut
yang
dikarenakan
bahwa
kecepatan
menyebabkan tidak bisanya pengambilan
melebihi 15 ft/s akan menimbulkan erosi
data pada fraksi ketinggian 0.7 – 1.
permukaan pipa karena gaya gesek. Pada
Data yang diperoleh dari kedua pipa
percobaan
ini
penulis
melakukan
tersebut tidak mutlak sama, namun pola
penambahan laju alir yang menyebabkan
sebarannya
kenaikan
cenderung
sama.
Untuk
kecepatan.
Pada
saat
fluida
memperoleh persamaan yang identik dari
memenuhi pipa, saat itulah tercatat sebagai
kedua
dilakukan
kecepatan minimal supaya aliran fluida akan
penggabungan data, sehingga diperoleh
optimum. Pembukaan valve yang lebih besar
grafik sebagai berikut
digunakan untuk menaikkan laju alir dan
data
tersebut,
maka
S = 0.02029595 r = 0.99675977
fraksi ketinggian
tersebut
juga akan menambah kecepatan. Namun
1.1
0
pada saat pembukaan valve yang lebih besar,
0.9
2
ada keadaan di mana bahwa laju alir fluida
0.7
3
tidak bertambah secara signifikan, seperti
0.5
5
diperlihatkan pada table di bawah ini :
0.3
7
0.1
8
0 0.0 0.0
0.1
0.3
0.4
0.5
0.7
0.8
kecepatan (m/s)
Gambar 7. Plot gabungan data kecepatan vs fraksi ketinggian
Persamaan dari grafik pada gambar 7 adalah
y
1 66.445535 - 65.636665 x 0.009160033 Dari data tersebut terlihat bahwa, pola
hubungan
antara
kecepatan
vs
fraksi
valve 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Q (liter/s) 5.3615 6.4672 7.2653 7.9464 8.3461 8.4852 8.9325 8.9658 8.9846 9.0124 9.0265
v (ft/s) 10.38075 12.52157 14.06683 15.38555 16.15943 16.42876 17.2948 17.35928 17.39568 17.4495 17.4768
Kemudian jika diperlihatkan dalam bentuk grafik seperti dibawah ini :
ketinggian merupakan garis linear setelah melewati kecepatan 0.1 m/s. Jika ditinjau dari rumus Kecepatan merupakan fungsi jarak
dan
waktu,
sedangkan
fraksi
ketinggian termasuk fungsi jarak yang tidak bersatuan. Nilai yang ditunjukkan pada saat fraksi ketinggian mencapai nilai 1 ( pipa terisi penuh oleh fluida) adalah 0.733 m/s atau jika dalam satuan lapangan nilainya 2.202 ft/s. Ken
Arnold
dalam
bukunya
menyebutkan bahwa kecepatan maksimum fluida mengalir dalam pipa yaitu 15 ft/s. Hal [Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
Halaman 6
Studi Kasus
2.
Jika kasus yang terjadi di lapangan ternyata
sebuah
lapangan
Kecepatan sampai
mempunyai
minimum
bisa
penuh
fluida
untuk
dalam
pipa
horizontal yaitu 0.73 m/s atau 2.395 ft/s.
kecepatan 90000 bbl/day pada diameter pipa
3.
24 inch. Maka dari persamaan tersebut bisa
Hubungan antara fraksi ketinggian dan kecepatan adalah
dihitung berapakah fraksi ketinggian aliran
1 66.445535 - 65.636665 x 0.009160033
y
di dalam pipa tersebut Laju alir q 90000
bbl 5.615 ft 3 1 day 0.02831685 m3 day 1 bbl 86400 sec ond 1 ft 3
m3 q 0.165 sec ond
Dimana : Y = fraksi ketinggian X = kecepatan (m/s) 4.
bertujuan
Luas area
A A A A
v v
mempermudah
VII. Daftar Simbol
0.00064516 m 2 452 .16inch 1 inch 2 0.2917155 m 2 2
q
= laju alir
v
= kecepatan
t
= waktu
A
= luas area
V
= volume
PVC
= polyvinyl chlorida
Laminer
= rezim aliran yang arah aliranya paralel/searah
lajualir luasarea 0.165 m3 0.2917155 sec ond .m2 0.56 m s
Kemudian
untuk
perhitungan dan valid untuk digunakan.
d2 4 3.14 24 2 4
Kecepatan
v
Perangkat lunak yang dikembangkan
masukan
dalam
Turbulen
= rezim aliran yang arah alirannya tidak beraturan dan stokastik
VIII. Daftar Pustaka 1. persamaan
Fundamentals of Physics, Wiley; 7 Sub
diperoleh fraksi ketinggian sebesar 0.86. dari hasil tersebut bisa direkomendasikan untuk
Resnick, Robert and Jearl Walker,
edition (June 16, 2004) 2.
Arnold, Ken. Surface Productions
memperbesar laju alir fluida atau dengan
OperationsVolume I : Design of oil-
memperkecil diameternya, supaya fluida
Handling System Facilities. Gulf
bisa memenuhi pipa dan alirannya menjadi
Publishing Company. Houston
optimum.
VI. Kesimpulan 1.
Semakin besar kecepatan maka fraksi ketinggian akan semakin besar.
[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
Halaman 7
[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
Halaman 8
Lampiran A. Gambar Design Alat Percobaan Laboratorium
[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
Halaman 9
Lampiran B. Foto – Foto percobaan
Gambar B.1. Fraksi Ketinggian 1
Gambar B.2. Fraksi Ketinggian 2
[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
Halaman 10
Gambar B.3. Sambungan Pipa PVC dengan Pipa Transparan
Gambar B.4. Tangki Pengukur (50 liter)
[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB]
Halaman 11
