Content
Analisa Hidrolik Pipa Pipe Sizing Prinsip Dasar Fluida Pendahuluan
Pendahuluan Tujuan analisis hidrolik adalah untuk mengetahui kekakuan fluida di dalam sistem dengan berbagai parameternya.
Lingkup analisis hidrolik • Analisis aliran dalam pipa • Analisis sifat fluida yang yang ada didalam sistem • Hidrokarbon dapat mengandung berbagai macam fase seperti cair,
gas, dan campuran • Penentuan diameter yang optimum agar fluida bisa dialirkan dengan efektif • Parameter-parameter lainnya seprti kondisi operasi,batasan, kecepatan, geometri, lingkungan, dan lainnya
Prinsip Dasar Kontinuitas Massa
B
Jenis Aliran & Bilangan Reynolds
A
Prinsip Dasar
C
D Head Loss & Pressure Drop
Bernoulli
Jenis Aliran Jenis Aliran Laminar
Transisi
Turbulen
Profil aliran seragam, vektor Kecepatan searah. Partikel fluida bergerak dalam garis lurus.
Profil aliran campuran, mulai berubah dari laminar ke turrbulen. Terjadi pada kecepatan.
Partikel fluida bergerak dalam arah acak. Vektor kecepatan acak dan alirannya cepat.
Bilangan Reynolds Penentuan jenis aliran ditantukan oleh Bilangan Reynolds (Re) :
ρ = kerapatan massa, kg/m3 μ = viskositas dinamik N.s/m2
Jenis Aliran
Bilangan Reynolds
Laminer
< 2000
Transisi
2000 - 4000
Turbulen
> 4000
V = kecepatan fluida, m/s D = diameter pipa, m
Contoh Soal 1 Jenis aliran apakah yang terkandung dalam pipa diameter 14” (0,377 m) berisi crude oil dengan : kecepatan 3 m/s, kerapatan massa 990 kg/m3, Viskositas dinamik 1,2E-3 N.s/m2 ? • • •
Solusi
Kontinuitas Massa Laju
aliran massa di dua titik berbesa salam satu pipa adalah sama.
Perubahan diameter pipa dikompensasi perubahan kecepatan fluida.
ρ1 . A1 . v1 = ρ2 . A2 . V2 Untuk fluida inkompresible :
ρ1 = ρ2
A1 . v1 = A2 . v2
Contoh Soal 2 Jika kecepatan aliran pada pipa berdiameter 6 in adalah 10 ft/s, berapa kecepatan aliran tersebut jika pipa dikecilkan menjadi 3 in?
Persamaan Bernoulli
Merupakan bentuk penerapan hukum kelestarian energi.
Energi pada dua titik berbeda haruslah berbeda.
Untuk aliran steady dan fluida inkompressibel :
Dipengaruhi oleh : •
Head tekanan,
•
Head kecepatan
•
Head ketinggian
•
Head loss
Contoh Soal Contoh Soal 2 Gambar dibawah ini menunjukkan aliran air dari titik A ke titik B dengan debit aliran sebesar 0,4 m3/s dan head tekanan pada titik A = 7 m. Jika diasumsikan tidak ada losses antara titik A dan titik B, tentukan head tekanan di titik B?
Penyelesaian
Head Loss Aliran pipa dapat mengalami kerugian energi/head yang dipengaruhi : •
Kecepatan aliran
•
Friction factor
•
Viskositas fluida
•
Kerapatan massa fluida
Head Loss Major Loss
Ada kerugian head aliran karena gesekan pada permukaan pipa.
Minor Loss
Ada kerugian head aliran karena adanya aksesoris dan komponen pipa, seperti valve, fitting, dll.
Pressure drop Hubungan Head Loss dan Pressure Drop :
•
•
•
ΔP = ρ . G. ΔH
Penurunan tekanan Fluida satu fasa bergantung pada tiga faktor : •
Gesekan
•
Perbedaan Elevasi
•
Akselerasi/perubahan momentum
Penurunan tekanan Fluida satu fasa bergantung pada tiga faktor : •
Kecepatan Fluida
•
Diameter pipa
•
Panjang pipa
Kekasaran permukaan pipa
•
Kerapatan massa fluida
•
Head Loss & Pressure Drop Major Loss
Pressure Drop
Minor Loss
f = friction factor v = kecepatan fluida, m/s L = panjang pipa, m Di = diameter dalam pipa, m K = koefisien minor loss r = kerapatan massa, kg/m3 g = percepatan gravitasi, m/s2
Nilai friction factor didapat dari diagram Moody. Nilai ini dipengaruhi oleh kekasaran permukaan pipa (ε) dan diameter pipa. Untuk commercial steel : ε = 1.5E‐4 ft
Head Loss & Pressure Drop Koefisien Minor Loss
Kekasaran Material Pipa
ε
(mm)
ε
(ft)
Commercial/Welded Steel
0,045
0,00015
Riveted Steel
0,9 - 9
0,003 - 0,03
Concrete
0,3 - 3
0,001 – 0,01
Cast Iron
0,26
0,00083
Galvanizes Iron
0,15
0,0005
Asphaited Cast Iron
0,12
0,0004
0,0015
0,000005
PVC, Drawn Tube, Glass
Contoh Soal Contoh Soal 3 (Lanjutan dari no.1) Pipa diameter 14“ (1,17 ft) dari material commercial steel (ε = 0,00015 ft) dengan Bilangan Reynold 8.8E5. Berapakah friction factornya? Dengan Re = 8.8E5, dari Tabel Moody akan didapatkan : Friction Factor (f) =
Contoh Soal 4 Pipa di bawah ini mempunyai 4 elbow (long radius) dan satu valve (gate valve fully open). Berapakah koefisien minor loss (K) ?
Contoh Soal
Contoh Soal 3 (Lanjutan dari Sebelumnya) Pipa diameter 14” (0,356 m) dengan panjang 500 m (sketsa di bawah) berisi fluida dengan : Friction Factor 0,0145 Koefisien K = 3,4 kecepatan 3 m/s kerapatan massa 990 kg/m3 Tentukan Head Loss Major & Minor dan Pressure Drop –nya! Tentukan daya pompa yang dibutuhkan untuk memompa fluida!
Contoh Soal
Major Loss
Minor Loss
Head Loss Total
HL = HL1 + HL2 =
Contoh Soal
Pressure Drop
ΔP = ρ . g . HL
Q=A.V
Power Pompa
W = ρ . Q . g . HL
Pipe Sizing
Standar Diameter Pipa Komersial • Nominal Pipe Size (NPS) adalah standar diameter pipa komersial.
Pemilihan Diameter • Tiga parameter penting dalam menentukan diameter pipa.
Fluida terlalu cepat :
Kecepatan Fluida Jenis Fluida
Erosi, Bising, Pressure Drop tingg
Kecepatan (ft/s)
Crude Oil
3 - 13
Fluida terlalu cepat :
Gas
30 - 60
Erosi, Bising, Pressure Drop tingg
Slurry
5 - 10
Uap Proses
100 – 150
Di = diameter dalam pipa, m
Uap air
100 - 130
Do = diameter luar pipa,
Uap air 2 Fasa
15 - 60
m v = kecepatan fluida, m/s
Air
3 – 10
Q
Fluida Cair
100/ρ0,5
= laju aliran, m3/s
Pemilihan Diameter
Pressure Drop
Semakin kecil diameter, semakin besar pressure drop. Jangan sampai membuat pressure drop lebih dari yang diijinkan
Terdapat hubungan antara diameter dengan ∆P
Persamaan di atas dapat dipakai bila nilai allowable ∆P sepanjang aliran pipa diketahui.
Cost
f = friction factor v = kecepatan fluida, m/s L = panjang pipa, m D = diameter pipa, m r = kerapatan massa, kg/m3 g = percepatan gravitasi, m/s2
Semakin besar diameter pipa, harga pipa semakin mahal . (kira‐kira pangkat 1,5 kalinya)
Contoh Soal
Contoh Soal Pipa mentransmisikan crude oil dengan laju aliran 100000 BOPD (0,184 m3/s) dari site ke sebuah booster station. Tentukan NPS pipa untuk crude oil !
•
Dengan Persamaan :
•
Dari Tabel kecepatan crude oil (3 – 13 ft/s)
•
Misal untuk kecepatan 6 ft/s (1,83 m/s)
Contoh Soal
Contoh Soal 2 Jika diinginkan Pressure Drop tidak boleh di atas 10 psi pada saat pipa sampai di booster, tentukan NPS pipa optimum dari ketiga NPS di atas !
Data dan asumsi : Kerapatan massa crude oil = 850 kg/m3 Jarak site ke booster = 500 m Friction Factor pipa = 0,02 (moderate) Minor Loss diabaikan
Contoh Soal
Optimasi Pemilihan Diameter
Dengan persamaan :
Analisis Hidrolik Gas
Analisis Hidrolik Gas Analisis hidrolik pada aliran gas berbeda dengan aliran liquid, karena variasi hubungan densitas gas dengan perubahan temperatur dan tekanan. •
• Berbeda dengan liquid, aliran pada gas sangat dipengaruhi oleh tingkat kompresibilitas dan temperatur gas.
Persamaan yang sering dipakai
Weymouth
Panhandle “B”
Analisis Hidrolik Gas Persamaan Weymouth Persamaan Weymouth cocok digunakan untuk aliran gas pada pipa berdiameter 0,8 sampai 11,8 inch. Untuk pipa lebih besar, persamaan ini berubah menjadi sangat konservatif, karena hasil perhitungan flow rate fluida menjadi lebih sedikit daripada flow rate fluida sebenarnya
Persamaan di atas dapat dipakai untuk menghitung flow rate, diameter, ataupun pressure drop.
Qg = gas flow rate, MMSCFD D = diameter pipa, in P1 = tekanan awal, psia P2 = tekanan akhir, psia L = panjang pipa, ft S = gas specific gravity (udara = 1) T1 = temperatur aliran gas, oR Z = gas compressibility factor
Contoh Soal Contoh Soal Gas dengan kandungan metana dominan sebanyak 100 MMSCFD mengalir dengan temperatur rata‐rata 530 oR dan tekanan awal 1200 psia. Kompresibilitas gas 0.863, spesific gravity 0.621. Tentukan diameter pipa jika panjang pipa 79200 feet dan pressure drop tidak boleh melebihi 200 psia! Jawaban :
D = 11,25 inch
Pilih NPS 12
Analisis Hidrolik Gas Persamaan Panhandle “B” Persamaan Panhandle “B” cocok digunakan untuk aliran gas pada pipa berdiameter di atas 12 inch. Persamaan ini mengasumsikan nilai friction factor (f) linear yang dihubungkan secara langsung dengan bilangan Reynold. Nilai friction factor didapat dari Moody Diagram.
Persamaan di atas dapat dipakai untuk menghitung flow rate, diameter, ataupun pressure drop.
Qg = gas flow rate, MMSCFD D = diameter pipa, in P1 = tekanan awal, psia P2 = tekanan akhir, psia L = panjang pipa, ft S = gas specific gravity (udara = 1) T1 = temperatur aliran gas, oR Z = gas compressibility factor f = friction factor
Contoh Soal Contoh Soal Gas sebanyak 1000 MMSCFD mengalir dengan temperatur 530 oR dan tekanan awal 1200 psia. Kompresibilitas gas 0.863, spesific gravity 0.621, dan faktor gesekan pipa 0,025. Tentukan diameter pipa jika panjang pipa 79200 feet dan pressure drop tidak boleh melebihi 200 psia!
D = 31,7 inch
Pilih NPS 32
Analisis Hidrolik Gas Kecepatan Aliran Gas Kecepatan aliran gas perlu dihitung agar dapat diketahui apakah gas mengalir dalam batas kecepatannya atau tidak.
V = kecepatan gas, ft/s Qg = gas flow rate, MSCFH D = diameter pipa, in P = tekanan gas, psia T = temperatur rata-rata gas, oR
Contoh Soal
Contoh Soal Gas sebanyak 1000 MSCFH mengalir dengan temperatur 60 oF (520 oR) dan tekanan 100 psig. Tentukan kecepatan pipa jika diameter pipa 4 in! Jawaban :
V=
Analisis Hidrolik Gas Persamaan Umum Flow Rate Persamaan berikut adalah cara termudah dan paling sederhana untuk menentukan flow rate gas dalam pipa. Persamaan sederhana ini akan akurat jika gas mempunyai temperatur 520 oR dan spesific gravity 0,6.
Qg = gas flow rate, ft3 /day D = diameter pipa, in P1 = tekanan awal, psia P2 = tekanan akhir, psia L = panjang pipa, miles
Contoh Soal Contoh Soal Gas mengalir dengan tekanan awal 500 psia. Pressure Drop tidak bolaeh melebihi 200 pasi. Tentukan flow rate aliran gas jika panjang pipa 1 mile, diameter pipa 6 in !
Q g = 41800000 ft3 /day
Optimasi Pemilihan Diameter Pipa Berdasarkan Biaya Total tahunan yang terkecil B
Diameter pipa A
C
Berdasarkan
Berdasarkan
pertimbangan p r e s s u r e
kecepatan aliran yang
d r o p yang tersedia
diperbolehkan
Diameter Pipa Berdasarkan Biaya total Tahunan Terendah (LAC) Diameter optimum pipa memberikan kompromi terbaik antara biaya investasi dan biaya operasi yang harus dikeluarkan
Biaya Investasi Biaya yang dikeluarkan untuk pembelian pipa beserta seluruh aksesorisnya termasuk biaya instalasi
Biaya Operasi Biaya yang dikeluarkan untuk pengaliran fluida atau biaya yang diperlukan untuk menjalankan pompa atau kompresor.
