cover khamdani

i

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

ii

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

iii

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

iv

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. ( )


Ketua Jurusan Teknik Mesin,

Dr. Sulardjaka, ST, MT

NIP. 1971042019980210

v

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.


Yang menyatakan,

FATIH KHAMDANI

NIM. L2E007035

vi

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 , 1 , and 3 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 tekanan, koefisien

rugi kontraksi

vii

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

, 1 , and 3 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

viii

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.

ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Allah SWT atas segala rahmat, berkat dan karunia-Nya

penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan sebaik-

baiknya. 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

x

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

xi

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... 26

2.3.1 Pola Aliran Air-Minyak yang Mengalir pada Pipa Horisontal ... 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

xii

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

xiii

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

kecepatan minyak, untuk kecepatan aliran air konstan rendah 0,03 m/s 29


kecepatan minyak, untuk kecepatan aliran air konstan 0,21 m/s .. 30


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 ... 36

xiv

Gambar 2.22 Koefisien kerugian berbagai bentuk ujung masuk pipa (inlet) :

(a) reentrant, K = 0,8, (b) sharp edged, K = 0,5, (c)

slightly rounded, K = 0,2 dan (d) well rounded, K = 0,04

37

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 .........

laju aliran dan penambahan fraksi volume minyak 62

62

Gambar 4.2 Grafik penurunan tekanan dengan variasi laju aliran dan penambahan

fraksi volume crude oil ....

laju aliran dan penambahan fraksi volume minyak 62

63

Gambar 4.3 Perbandingan nilai gradient tekanan dari hasil eksperimen .. 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 ... 66

xv

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

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN A Instalasi Percobaan

LAMPIRAN B Visualisasi Aliran

LAMPIRAN C Tabel Penghitungan Lengkap

LAMPIRAN D Pembuktian Rumus

xvii

NOMENKLATUR

Simbol Definisi Satuan

w Air -

o Crude oil -

m Campuran air-crude oil -

m Massa (kg)

Kerapatan/densitas (kg/m3)

mer 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 Tekanan hidrostatis (N)

u/y 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/g Head tekanan (m)

V2/2g Head kecepatan (m)

xviii

z Head ketinggian/head elevasi (m)

Pgauge Tekanan Gauge (Pa)

Patm Tekanan atmosfer (Pa)

Ep Energi potensial (J)

Ek Energi kinetik (J)

P Energy tekanan (J)

H Head (m)

C Konsentrasi -

p 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/s

2)

cover khamdani

Documents