percobaan laboratorium untuk menentukan · pdf filegilang tape yang telah mengajari cara...

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



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

[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB] Halaman 1

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



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


I. Pendahuluan

Pada sebuah aliran fluida, faktor

kecepatan, pipa, friksi dan pengendapan

sangat menentukan supaya aliran fluida

menjadi optimum. Pada saat fluida mengalir

di sebuah pipa, maka laju alir dan diameter

pipa akan menentukan apakah fluida

tersebut mengisi penuh pipa tersebut atau

mengisi sebagian saja karena mungkin laju

alirnya kecil dan diameternya terlalu besar.

Untuk menghitung debit aliran yang

mengalir selama selang waktu tertentu

dinyatakan dalam hubungan :

t

Vq

Dengan keterangan :

q = laju alir (m3/detik)

V = volume air (m3)

t = waktu pengukuran (detik)

untuk menghitung kecepatan aliran di dalam

pipa bisa dihitung menggunakan hubungan

persamaan berikut

A

qv

Dengan keterangan

v = kecepatan (m/detik)

A = luas area (m2)

q = laju alir (m3/detik)

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 saling menyilang atau

berpotongan. Kecenderungan ke arah

ketakstabilan dan turbulensi diredam oleh

gaya-gaya geser viskos yang memberikan

tahanan terhadap gerakan relatif lapisan-

lapisan fluida yang bersebelahan. Lapisan-

lapisan yang berdekatan, saling tukar-

menukar momentum secara molekular saja.

Apabila lapisan-lapisan yang berdekatan

bergerak dengan kecepatan yang berbeda-

beda dan arah gerak dari masing-masing

partikel fluida menyilang dan saling

memotong, maka aliran tersebut disebut

aliran turbulen. Pertukaran momentum

terjadi dalam arah melintang. Aliran transisi

berada di tengah-tengah, dalam artian sifat-

sifatnya kadang-kadang menunjukkan

laminer dan kadang-kadang turbulen.

Asumsi yg dipergunakan untuk

percobaan ini yaitu :

- Aliran yang terjadi di dalam pipa

laminer

- Pipa horizontal sempurna

- Faktor angin dan temperatur tidak

berpengaruh secara signifikan

- Diameter semua pipa sama.

II. Metodologi

Untuk mengetahui hubungan antara

kecepatan dan fraksi ketinggian, penulis

menggunakan metodologi berupa percobaan

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


diukur volumenya dalam satuan waktu yang

dihitung.

Bagan dari percobaan ini bisa dilihat

dalam lampiran (i). Terlihat bahwa

perlengkapan dari percobaan ini terdiri dari :

1. Tangki, ada dua buah tangki. Yang

pertama berukuran 1000 liter sebagai

penyimpan awal sebelum fluida

mengalir ke pipa transparan. Dan tangki

50 liter digunakan untuk mengukur

volume fluida dan menampung fluida

sebelum dipompakan ke tangki 100

liter.

2. Valve, digunakan untuk mengatur laju

aliran

3. Sieve (saringan), digunakan untuk

meredam laju aliran fluida dari tangki

sehingga fluidanya tidak berbuih

4. Pipa, ada 2 macam pipa. Pipa transparan

dan pipa PVC (polyvinyl chloride). Pipa

transparan digunakan untuk mengamati

ketinggian fluida dan kelakuan fluida

pada saat mengalir. Sedangkan pipa

PVC digunakan untuk menyalurkan

fluida kembali ke tangki dan sistemnya

diasumsikan tertutup.

5. Pompa, pompa digunakan untuk

memompa fluida dari tangki 50 liter ke

tangki 1000 liter.

6. Level meter, digunakan untuk mengukur

ketinggian fluida di dalam pipa

transparan.

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 :

1. Diameter 2 inch

Data yang diperoleh :

Volume = 5 liter

Waktu = 31.65 detik, 32.76

detik, dan 32.17 detik

Fraksi ketinggian = 11/26

Contoh perhitungan :

Fraksi ketinggian = 42307.026

11

Waktu rata-rata =

ikt det19.323

17.3276.3265.31

Laju alir =

ik

liter

ik

literq

det155.0

det19.32

5

liter

mq

3

1

001.0=

ik

m

det1055.1

34

Luas pipa =

23

2

22

22

10025.2

1

0.0006451614.3

4

214.3

4

mA

inch

minchA

dA

Kecepatan =

ik

mv

ikm

m

luas

lajualirv

det0765.0

det.10025.2

1055.12

3

3

4


Sehingga diperoleh data sebagai berikut :

Tabel 1. Data hasil perhitungan pipa 2 inch

Fraksi ketinggian Kecepatan (m/detik)

0.396 0.0561

0.423 0.0767

0.461 0.1124

0.500 0.1437

0.538 0.1679

0.576 0.1925

0.615 0.2195

0.653 0.2599

1.000 0.7383

Dari data tersebut kemudian dibuat grafik

dan dibuat persamaan yang mendekati pola

sebaran data tersebut :

Gambar 1. Plot kecepatan vs fraksi ketinggian pipa

2 inch

Persamanan dari grafik diatas adalah :

120.00769157 x75.654823-76.469852

1y

2. Diameter 1.75 inch

Dengan menggunakan perhitungan yang

sama, untuk diameter 1.75 inch diperoleh

sebaran data sebagai berikut :

Tabel 2. Data hsil perhitungan pipa 1.75 inch

Fraksi ketinggian Kecepatan (m/s)

0.388 0.0750

0.444 0.1092

0.500 0.1356

0.583 0.2272

0.667 0.3033

1.000 0.7334

Dari data tersebut kemudian dibuat grafik

dan dibuat persamaan yang mendekati pola

sebaran data tersebut :

Gambar 2. Plot kecepatan vs fraksi ketinggian pipa

1.75 inch

Persamaan dari grafik di atas adalah :

630.00778676 x81.176818-81.974781

1y

IV. Pengembangan perangkat lunak

(software)

Pengembangan software bertujuan

untuk memudahkan 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

S = 0.01988175

r = 0.99855937

kecepatan (m/s)

frak

si k

etingg

ian

0.0 0.1 0.3 0.4 0.5 0.7 0.80.00

0.18

0.37

0.55

0.73

0.92

1.10

S = 0.01933992

r = 0.99765882

kecepatan (m/s)

frak

si k

etingg

ian

0.0 0.1 0.3 0.4 0.5 0.7 0.80.00

0.18

0.37

0.55

0.73

0.92

1.10


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 3. Potongan Interface Software

Bagian Input

2. Output

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’.


Bagian Output

3. Grafik

Grafik digunakan sebagai ilustrasi dari

persamaan. Nilai dari hasil perhitungan

fraksi ketinggian akan diperlihatkan

dalam bentuk titik (dot).


Bagian Grafik

Penulisan bahasa pemrograman ini

dibuat menggunakan Matlab. Dan

pengembangan software-nya menggunakan

GUI Matlab.

Secara umum tampilan softwarenya

seperti gambar 6 ini :

Gambar 6. Interface Software

V. Analisa

Grafik persamaan tersebut

menunjukan hubungan antara kecepatan dan

fraksi ketinggian. Melihat dari pola

persamaan, bahwa pada mula-mula data dari

fraksi 0 – 0.3 data yang diperoleh sedikit.

Hal 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 pipa sehingga aliranya


bergelombang. Hal tersebut yang

menyebabkan tidak bisanya pengambilan

data pada fraksi ketinggian 0.7 – 1.

Data yang diperoleh dari kedua pipa

tersebut tidak mutlak sama, namun pola

sebarannya cenderung sama. Untuk

memperoleh persamaan yang identik dari

kedua data tersebut, maka dilakukan

penggabungan data, sehingga diperoleh

grafik sebagai berikut

Gambar 7. Plot gabungan data kecepatan vs

fraksi ketinggian

Persamaan dari grafik pada gambar 7 adalah

30.00916003 x65.636665-66.445535

1y

Dari data tersebut terlihat bahwa, pola

hubungan antara kecepatan vs fraksi

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

tersebut dikarenakan bahwa kecepatan

melebihi 15 ft/s akan menimbulkan erosi

permukaan pipa karena gaya gesek. Pada

percobaan ini penulis melakukan

penambahan laju alir yang menyebabkan

kenaikan kecepatan. Pada saat fluida

memenuhi pipa, saat itulah tercatat sebagai

kecepatan minimal supaya aliran fluida akan

optimum. Pembukaan valve yang lebih besar

digunakan untuk menaikkan laju alir dan

juga akan menambah kecepatan. Namun

pada saat pembukaan valve yang lebih besar,

ada keadaan di mana bahwa laju alir fluida

tidak bertambah secara signifikan, seperti

diperlihatkan pada table di bawah ini :

valve Q (liter/s) v (ft/s)

1 5.3615 10.38075

2 6.4672 12.52157

3 7.2653 14.06683

4 7.9464 15.38555

5 8.3461 16.15943

6 8.4852 16.42876

7 8.9325 17.2948

8 8.9658 17.35928

9 8.9846 17.39568

10 9.0124 17.4495

11 9.0265 17.4768

Kemudian jika diperlihatkan dalam bentuk grafik

seperti dibawah ini :

S = 0.02029595

r = 0.99675977

kecepatan (m/s)

frak

si k

etingg

ian

0.0 0.1 0.3 0.4 0.5 0.7 0.80.00

0.18

0.37

0.55

0.73

0.92

1.10


Studi Kasus

Jika kasus yang terjadi di lapangan

ternyata sebuah lapangan mempunyai

kecepatan 90000 bbl/day pada diameter pipa

24 inch. Maka dari persamaan tersebut bisa

dihitung berapakah fraksi ketinggian aliran

di dalam pipa tersebut

Laju alir

ond

mq

ft

m

ond

day

bbl

ft

day

bblq

sec165.0

1

0.02831685

sec86400

1

1

615.590000

3

3

33

Luas area

2

2

22

2

2

2917155.0

1

0.0006451616.452

4

2414.3

4

mA

inch

minchA

A

dA

Kecepatan

smv

mond

mv

luasarea

lajualirv

56.0

.sec2917155.0

165.02

3

Kemudian masukan dalam persamaan

diperoleh fraksi ketinggian sebesar 0.86. dari

hasil tersebut bisa direkomendasikan untuk

memperbesar laju alir fluida atau dengan

memperkecil diameternya, supaya fluida

bisa memenuhi pipa dan alirannya menjadi

optimum.

VI. Kesimpulan

1. Semakin besar kecepatan maka fraksi

ketinggian akan semakin besar.

2. Kecepatan minimum fluida untuk

sampai bisa penuh dalam pipa

horizontal yaitu 0.73 m/s atau 2.395 ft/s.

3. Hubungan antara fraksi ketinggian dan

kecepatan adalah

30.00916003 x65.636665-66.445535

1y

Dimana :

Y = fraksi ketinggian

X = kecepatan (m/s)

4. Perangkat lunak yang dikembangkan

bertujuan untuk mempermudah

perhitungan dan valid untuk digunakan.

VII. Daftar Simbol

q = laju alir

v = kecepatan

t = waktu

A = luas area

V = volume

PVC = polyvinyl chlorida

Laminer = rezim aliran yang arah

aliranya paralel/searah

Turbulen = rezim aliran yang arah

alirannya tidak beraturan dan

stokastik

VIII. Daftar Pustaka

1. Resnick, Robert and Jearl Walker,

Fundamentals of Physics, Wiley; 7 Sub

edition (June 16, 2004)

2. Arnold, Ken. Surface Productions

OperationsVolume I : Design of oil-

Handling System Facilities. Gulf

Publishing Company. Houston


Lampiran A. Gambar Design Alat Percobaan Laboratorium

[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB] Halaman 10 Halaman 10

Lampiran B. Foto – Foto percobaan

Gambar B.1. Fraksi Ketinggian 1

Gambar B.2. Fraksi Ketinggian 2

[Zainul Manan – 12204043 – Teknik Perminyakan ITB] Halaman 11 Halaman 11

Gambar B.3. Sambungan Pipa PVC dengan Pipa Transparan

Gambar B.4. Tangki Pengukur (50 liter)

percobaan laboratorium untuk menentukan · pdf filegilang tape yang telah mengajari cara...

Documents