DAFTAR ISI DAFTAR ISI ........................................................................... ........................................................................................................................ ............................................. i BAB I ............................................................................................................ .................................................................................................................................. ...................... 1 PENDAHULUAN PENDAHULUAN .................................................................. .............................................................................................................. ............................................ 1 1.1.
Latar Belakang................................................................... .................................................................................................... ................................. 1
1.2.
Rumusan Masalah.............................................................. ............................................................................................... ................................. 2
1.3.
Tujuan Penelitian ............................................................... ................................................................................................ ................................. 2
1.4.
Luaran ......................................................... ................................................................................................................. ........................................................ 3
1.5.
Manfaat ................................................................... ............................................................................................................... ............................................ 3
1.6.
Batasan Masalah ................................................................ ................................................................................................. ................................. 3
BAB II.............................................................. ................................................................................................................................. ................................................................... 4 TINJAUAN TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................................................... ..................................................................................................... 4 2.1.
Pengertian Aliran Multifase.......................................................... ................................................................................ ...................... 4
2.2.
Aliran dua fase gas-liquid fase gas-liquid ................................................................................... .................................................................................. 5
2.3.
Pola Aliran Multifase (Multiphase Flow Regime) .............................................. Regime) .............................................. 5
2.3.1. Flow Regime Gas-Liquid Pada Pipa Vertikal ..................................................... 5 2.3.2.
Pemetaan Flow Pemetaan Flow Regime Aliran Regime Aliran Dua Fase ........................................................... 7
2.4.
Fluks massa................................................................................... massa......................................................................................................... ...................... 8
2.5.
Volume Fraction ...................................................................................... Fraction ................................................................................................. ........... 8
2.6.
Void fraction dan fraction dan liquid holdup liquid holdup .......................................................................... ......................................................................... 9
2.7.
Kecepatan Kecepatan .............................................................. ........................................................................................................... ............................................. 9
2.7.1.
Kecepatan Superficial ....................................................................................... ...................................................................................... 10
2.7.2.
Kecepatan Kecepatan rata-rata rata-rata gas dan likuid........................................................... .................................................................... ......... 10
2.8.
Volumetric Quality ( ..................................................................................... .................................................................................... 11
2.9.
Slip velocity............................................................. velocity....................................................................................................... .......................................... 11
2.10.
Kualitas Gas (Gas Quality) Quality) ............................................................................... .............................................................................. 12
2.11.
Viskositas...................................................................................... Viskositas.......................................................................................................... .................... 12
2.11.1. Viskositas Gas ( 2.12.
) .......................................................... ......................................................................................... ............................... 12
Penurunan Tekanan ( Presure Drop Drop ) ............................................................... ............................................................... 13
2.12.1. Pressure drop Pressure drop aliran aliran dua fase dengan metode separated metode separated flow model model pada pada pipa vertikal .............................................................................................................. .............................................................................................................. 14 2.12.2. Rekomendasi Rekomendasi Metode/Korelasi Metode/Korelasi Perhitungan Perhitungan Pressure Pressure Drop ............................ Drop ............................ 15 2.12.3. Korelasi Chisholm ............................................................. ............................................................................................ ............................... 15 2.13.
Pemodelan CFD (Computational Fluid Dynamics).......................................... Dynamics).......................................... 18
i
BAB III ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 19 METODOLOGI METODOLOGI PENELITIAN PENELITIAN ........................................................................................ ........................................................................................ 19 3.1.
Umum ......................................................... ............................................................................................................... ...................................................... 19
3.2.
Tahap Identifikasi Awal ............................................................... ................................................................................... .................... 19
3.2.1.
Identifikasi Masalah .......................................................... ......................................................................................... ............................... 19
3.2.2.
Studi Pustaka .......................................................... .................................................................................................... .......................................... 19
3.3.
Tahapan Pengumpulan Pengumpulan Data ......................................................... ............................................................................. .................... 20
3.4.
Tahap Pengolahan Data ................................................................... .................................................................................... ................. 20
3.4.1.
Perhitungan sifat fisik fluida...................................................................... ............................................................................ ...... 20
3.4.2. Pressure drop drop ......................................................... ................................................................................................... .......................................... 20 3.4.3.
Distribusi void fraction dan fraction dan liquid holdup .................................................. holdup ........................................................ ...... 21
3.4.4.
Pola Aliran .............................................................. ........................................................................................................ .......................................... 21
3.5.
Tahap Analisis Dan Kesimpulan ............................................................. ...................................................................... ......... 21
3.5.1.
Analisis dan pembahasan pembahasan.............................................................. .................................................................................. .................... 21
3.5.2.
Kesimpulan dan saran...................................................................... ....................................................................................... ................. 21
3.6.
Diagram Alir Proses Pengerjaan Pengerjaan Penelitiaan .................................................... 22
3.7.
Jadwal Penelitian ............................................................... .............................................................................................. ............................... 23
3.7.1.
Waktu............................................................................................ Waktu................................................................................................................ .................... 23
3.7.2.
Tempat Tempat ........................................................ .............................................................................................................. ...................................................... 23
3.7.3.
Jadwal Penelitian ............................................................... .............................................................................................. ............................... 24
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................... ....................................................................................................... 25
ii
BAB I PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
PT. PUPUK SRIWIDJAJA (PUSRI) adalah perusahaan produsen pupuk pertama di Indonesia yang bertempat di Palembang, Sumatra Selatan. Pupuk Sriwidjaja II B ( PUSRI IIB ) adalah suatu projek petrochemical plant yang memproduksi 2000 MTPD AMMONIA & 2750 MTPD UREA. Pada plant PUSRI IIB terdapat dua area yang berbeda yakni urea plant area dan area dan ammonia plant area. Pada proyek ini diperlukan sistem perpipaan yang kompleks sebagai sarana penghubung antar equipment dalam suatu plant . Seperti halnya pabrik pupuk yang lain pembuatan pupuk PUSRI akan melewati tahapan proses kimia. Salah satu tahapan proses pembuatan pupuk urea adalah
seksi
dekomposisi atau purifikasi. Pada tahap purifikasi terdapat unit high pressure high pressure decomposer (HP
decomposer) decomposer) dan Low
pressure
decomposer (LP
decomposer). decomposer). Pada tahap ini larutan urea dipisahkan dari larutan campuran outlet reactor (DC-101) yang terdiri atas karbamat, urea, air, gas CO2 dan ammonia berlebihan. Tahap pemisahan terjadi dengan cara tekanan dan pemanasan dengan dua langkah penurunan tekanan, yaitu pada 17kg/cm 2g dan 22,2 kg/cm 2g. Hasil peruraian berupa gas CO2 dan NH3 dikirim ke bagian recovery, recovery, sedangkan larutan ureanya dikirim ke bagian kristaliser. Fluida gas memiliki laju aliran massa 127.000 kg/jam dan fluida liquid sebesar sebesar 1430000 kg/jam. Fluida medium low pressure steam condensate melalui condensate melalui jalur 6SMLC12230-BSA2-(H) dengan suhu 244 °C dan bertekanan 25 kg/cm 2g. Setelah melewati control valve (LV-106) valve (LV-106) fluida diteruskan melewati jalur pipa vertikal dengan line number 6SLC-17705-ASA2-(H). 6SLC-17705-ASA2-(H). Pada jalur pipa vertikal tersebut fluida mengalami penurunan tekanan menjadi low pressure steam condensate dengan suhu 200 °C dan memiliki tekanan sebesar 8 kg/cm 2 g. Aliran dua fase merupakan bagian dari aliran multi fase mempunyai fenomena yang sangat kompleks dibanding pada aliran satu fase diantaranya
1
adalah interaksi antar fase, pengaruh deformasi permukaan dan pergerakan antar fluida, pengaruh ketidakseimbangan fase, perubahan pressure drop dan drop dan lain sebagainya. Pada aliran multi fase di dalam saluran pipa tidak hanya dipengaruhi oleh Reynold number tetapi fase-fase yang bercampur di dalamnya mempunyai pengaruh yang signifikan. Sehingga akan terdapat banyak flow regime (flow pattern) pattern) yang terbentuk dalam saluran tersebut akibat interaksi antar fase fluida tersebut. Aliran yang mengalami perubahan flow pattern ( flow regime) dapat regime) dapat menyebabkan pressure drop yang drop yang berubahubah pula atau berfluktuasi (Somchai, 2005). Pada penelitian tugas akhir ini akan dilakukan analisa untuk mengetahui pola aliran dua fase, distribusi fraksi volume gas, dan penurunan tekanan (pressure
drop). drop).
Dalam
menganalisis
penelitian
ini
akan
dilakukan
perhitungan manual dan pemodelan CFD menggunakan software software ANSYS FLUENT 14.0. 1.2.
Rumusan Masalah
Tugas akhir ini memiliki perumusan masalah antara lain: 1. Bagaimana karakteristik pola aliran dua fase gas- likuid pada line number 6SLC-17705-ASA26SLC-17705-ASA2- (H) ? 2. Bagaimana distribusi fraksi volume gas (void fraction) dan fraction) dan fraksi volume cair (liquid fraction/liquid holdup) aliran dua fase gas-likuid pada line number 6SLC-17705-ASA2- (H) menggunakan pemodelan ANSYS FLUENT 14.0? 14.0 ? 3. Berapa besarnya penurunan tekanan (pressure drop) drop) pada line number 6SLC-17705-ASA2- (H) berdasarkan perhitungan manual dan pemodelan ANSYS FLUENT 14.0? 1.3.
Tujuan Penelitian
Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah : 1. Menganalisis karakteristik pola aliran dua fase gas – likuid pada line number 6SLC-17705-ASA2 6SLC-17705-ASA2- (H)
2
2. Menganalisis distribusi fraksi volume gas (void fraction) dan fraksi volume cair (liquid fraction/liquid holdup) aliran dua fase gas – likuid pada line number 6SLC-17705-ASA2- (H) menggunakan pemodelan ANSYS FLUENT 14.0 3. Membandingkan besarnya penurunan tekanan ( pressure drop) drop) pada line number 6SLC-17705-ASA2- (H) berdasarkan perhitungan manual dan pemodelan ANSYS FLUENT 14.0 1.4.
Luaran
Dari pengerjaan tugas akhir ini akan dihasilkan : 1. Buku laporan tugas akhir tentang analisa aliran dua fase gas-likuid 2. Jurnal ilmiah tentang analisa aliran dua fase gas-likuid 1.5.
Manfaat
Hasil perhitungan dan analisis yang dilakukan diharapkan dapat memberikan manfaat antara lain : 1. Dapat dijadikan referensi bagi mahasiswa untuk mempelajari fenomena yang terjadi pada aliran multifase, yakni dua fase 2. Dapat dikembangkan untuk penelitian lebih lanjut 1.6.
Batasan Masalah
Batasan yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah : 1. Fluida dua fase yang digunakan adalah fluida gas (steam) dan fase likuid (steam condensate) 2. Tidak ada heat and mass transfer antar antar fase 3. Material pipa yang digunakan A106GR. B seamless B seamless pipe 4. NPS pipa 6” 5. Jalur pipa yang dianalisis yaitu pipa vertikal line number 6SLC-17705ASA2- (H) 6. Software Software yang digunakan pada pemodelan yaitu ANSYS CFD FLUENT 14.0
3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Pengertian Aliran Multifase
Sebuah aliran multifase berhubungan dengan solid , liquid atau gas. gas. Aliran multifase adalah aliran dari sebuah campuran dari fase-fase seperti gasgas (bubbles) (bubbles) dalam sebuah liquid , atau liquid (droplets) (droplets) di dalam gas atau kombinasi aliran dari fase solid, fase solid, liquid li quid dan gas secara simultan di dalam pipa yang sama. Banyak aplikasi engineering dan scientific mengenai multifase, seperti gas-liquid flow, flow, liquid-solid(slurry), liquid-solid(slurry), liquid-liquid flow flow dan gas-solid flow flow (aerosol). Contohnya aliran dalam evaporator dan kondensor, aliran campuran gas-minyak-air dalam industri minyak pneumatic conveying dalam mesin berbahan bakar batu bara, bubble column reactors reactors di dalam mesinmesin berbahan bakar kimia dan nuklir dan lain sebagainya. Aliran multifase merupakan fenomena yang komplek yang sulit untuk dimengerti, diprediksi, dan dimodelkan. Karakteristik-karakteristik fase tunggal yang umum seperti seperti velocity profile, profile, turbulence, turbulence, dan boundary layer, adalah yang tidak sesuai untuk menjabarkan sifat asli dari aliran semacam ini. Telah lama, desain utama sistem multifase berdasarkan pada empiris meskipun begitu teknik-teknik pengukuran yang lebih canggih telah menuju ke arah proses control yang yang lebih maju dan penghitungan parameter-parameter yang fundamental di dalam aliran mulltifase tersebut. Peningkatan dalam kemampuan komputasi telah memungkinkan pengembangan model numerik yang bisa digunakan untuk melengkapi desain sistem engineering sistem engineering dari aliran multifase.
4
2.2.
Aliran dua fase gas-liquid
Kasus yang paling umum dari multifase aliran dua fase aliran gas dan cair, seperti ditemui dalam uap generator dan sistem pendingin. Banyak yang telah dipelajari tentang aliran tersebut, termasuk menggambarkan batasan tentang pola aliran
dalam rezim aliran yang yang berbeda, metode untuk
memperkirakan fraksi volume, dan penurunan tekanan dua fase. 2.3.
tiphase F low Regime Regime)) Pola Aliran Multifase (M ul tiphase
Ketika aliran multifase mengalir di dalam jalur pipa secara simultan, perbedaan fase-fase ini akan bisa mendistribusikan di dalam jalur pipa dalam banyak konfigurasi-konfigurasi aliran dikarenakan sifat fluida yang berbeda, orentasi dan geometri pipa dimana fluida-fluida mengalir, dan flow rate rate dari tiap fase. Konfigurasi-konfigurasi Konfigurasi-konfigurasi aliran ini disebut “ REGIMES ” atau “ FLOW “ FLOW PATTERN ”. Flow ”. Flow regimes dibedakan regimes dibedakan dengan perbedaan gas-liquid interfaces. Mekanisme massa, momentum, dan transfer energy energy antar fase-fase adalah berbeda di dalam perbedaan flow regimes. regimes. Jadi penting untuk mengetahui perbedaan flow regimes regimes pada aliran-aliran horizontal dan vertical. Dari multifase flow multifase flow regimes, regimes , gas-liquid dua dua fase flow fase flow regimes akan regimes akan dijelaskan lebih lanjut Regime Gas Gas-L iqui d Pada Pipa Vertikal 2.3.1. F low Regime
Aliran vertikal memiliki dua kemungkinan, searah dengan gravitasi atau melawan arah gravitasi. Dalam dunia teknik aliran melawan gravitasi lah yang lebih umum digunakan. Ada perbedaan antara aliran searah gravitasi dengan arah yang melawan gravitasi. Daya apung bertindak dalam dua arah berlainan untuk dua pola aliran. Untuk aliran melawan gravitasi, cairan yang lebih ringan memiliki daya apung dengan kekuatan lebih besar untuk bergerak lebih cepat dan ini berlawanan untuk cairan yang lebih berat. Jadi, ada perbedaan pola aliran dua situasi tersebut. Alasan utamanya disebabkan oleh perbedaan bahwa cairan yang lebih berat didominasi oleh gravitasi itu sendiri sedangkan cairan yang lebih ringan didominasi oleh gaya tekan. (Genick Bar-Meir, 2013)
5
Gambar 2.1 Pola aliran dua fase gas-likuid gas-likuid pada pipa vertikal vertikal (John G.
Collier F.R.S. F.ENG & John R. Thome D.Phil, 1994) a.
Aliran gelembung (Bubbly Fl ow)
Dimana gelembung uap diperkirakan mempunyai ukuran uniform. b.
(Slug F low) Aliran kantung gas (Slug
Dimana gas yang yang mengalir membentuk gelembung gelembung besar (kadang(kadangkadang gelembung gas kecil terdistribusi di cairan). c.
low) Aliran acak (Churn F low)
Dimana terjadi gerakan osilasi sehingga cairan menjadi tidak stabil. d.
(Wispy-Annu -Annu lar F low) Aliran cincin kabut (Wispy
Dimana konsentrasi tetesan dalam gas bertambah dan akhirnya bergabung membentuk gumpalan. gumpalan. e.
Aliran cincin (Annular F low)
Dimana sebagian fase liquid berlaku sebagai film di dinding tube dan sebagian lagi berupa tetesan yang terdistribusi dalam gas yang mengalir pada bagian tengah tube
6
Regime 2.3.2. Pemetaan F low Regime Aliran Dua Fase
Pada gambar di bawah merupakan pemetaan pola aliran menurut (Hewitt and Roberts 1969 ) hasil dari penelitian pada tekanan rendah udaraair dan tekanan tinggi aliran gas-air pada tabung vertikal berukuran kecil (13cm).
Gambar 2.2 Pemetaan pola aliran untuk aliran vertikal ( Hewitt dan Roberts,
1969)
Persamaannya adalah : Absis
:
Ordinat
:
Dimana
:
(2.1) (2.2)
: superficial momentum fluxes of liquid (kg/s (kg/s2m atau lb/s2 ft) : superficial momentum fluxes of gas(kg/s gas(kg/s2m atau lb/s2 ft)
7
G
: mass flux rate (fluks massa ) [kg/ms]
X
: quality of gas (kualitas gas)
2.4.
Fluks massa
1. Fluks massa gas
(2.3)
2. Fluks massa likuid
(2.4)
3. Total Fluks massa
(2.5)
Dimana :
2.5.
= fluks massa gas = laju aliran massa gas (kg/s) = laju aliran massa likuid (kg/s)
Volume Fr action action
Volume fraction adalah fraction adalah parameter yang penting dalam aliran multifase. Properti multifase mixture diatur mixture diatur oleh volume fraction dari fraction dari tiap fase. Volume fraction dari fraction dari tiap fase dalam multifase mixture digambarkan sebagai berikut :
Dimana
(2.6)
: = volume fraction untuk fraction untuk semua dispersed phase k phase k = volume dispersed phase (m phase (m3) = volume mixture (m mixture (m3)
8
2.6.
Void fr action action dan dan liquid holdup
Dalam aliran dua fase, istilah volume fraction fraction yang di gambarkan di atas kadang-kadang disebut sebagai void fraction fraction untuk fase gas dan sering juga disebut sebagai fraksi fraksi liquid/liquid holdup holdup untuk fase likuid. Jadi, di dalam hal cair-gas aliran dua fase, void fraction adalah fraction adalah :
(2.7)
(2.8)
Dimana,
2.7.
= fraksi likuid (liquid likuid (liquid holdup) = fraksi gas (void fraction) = volume pada fase gas (m3) = volume pada campuran (mixture) (m (mixture) (m3) Kecepatan
Pada aliran dua fase banyak korelasi menyebut kecepatan sebagai kecepatan kecepatan
superficial
(superficial
velocity). velocity).
Kecepatan
superficial
didefinisikan sebagai kecepatan fase gas/likuid yang menunjukkan bahwa fase tersebut dialirkan melalui atau menempati seluruh luas penampang pipa (A).
USG
USL Gambar 2.3 Visualisasi kecepatan aliran dua fase ( Time,2011) Time,2011)
9
2.7.1. Kecepatan Superficial 1.
Kecepatan superficial Kecepatan superficial gas ( gas (
2.
)
Kecepatan superficial Kecepatan superficial liquid ( (
(2.9) )
3.
Kecepatan campuran (
(2.10) )
(2.11)
Dimana :
= kecepatan superficial kecepatan superficial gas (m/s) gas (m/s) = kecepatan superficial kecepatan superficial liquid (m/s) (m/s) = laju aliran gas dalam pipa ( m3/s) = laju aliran likuid dalam pipa ( m3/s) = luas total pipa (m2)
2.7.2. Kecepatan rata-rata rata-rata gas dan likuid
Kecepatan rata-rata gas dan likuid adalah kecepatan aktual yang dihasilkan oleh gas dan likuid ketika mengalir di dalam pipa. Jika superficial velocities, velocities, void fraction dan fraksi likuid (cair) diketahui korelasi berikut bisa dikembangkan :
1. Kecepatan aktual gas (
)
2. Kecepatan aktual likuid (
(2.12) )
(2.13)
Dimana,
= kecepatan superficial gas (m/s) = kecepatan superficial likuid (m/s)
10
= laju aliran gas dalam pipa ( m3/s) = laju aliran likuid dalam pipa ( m3/s) = luas gas (m2)
G
= luasan likuid (m2)
2.8. Volu metri metri c Quali ty (
Adalah ratio dari volume flow rate rate fase apa saja ke total volume flow
rate. rate.
dalam satu dimensional steady dimensional steady state two phase flow adalah :
(2.14)
Dimana :
= volumetric quality pada quality pada gas = laju aliran gas dalam pipa ( m3/s) = laju aliran likuid dalam pipa ( m3/s) = kecepatan superficial gas (m/s)
2.9.
= kecepatan superficial likuid (m/s)
Sli p veloci veloci ty
Dalam hal perbedaan kepadatan, ketiga gas dan likuid mengalir secara simultan di dalam sebuah jalur pipa, fase gas mengalir lebih cepat dibanding fase likuid. likuid. Gas menjauh (slipping away/slip) away/slip) dari likuid. Slip velocity digambarkan sebagai perbedaan dari rata-rata kecepatan gas dan likuid. likuid.
(2.15)
Dimana,
= slip velocity (m/s) velocity (m/s) = kecepatan rata-rata gas (m/s) = kecepatan rata-rata likuid (m/s)
11
2.10. Kualitas Gas (Gas Qual it y)
Pada kondisi steady kondisi steady state, state, persamaan kualitas gas yaitu :
Dimana
(2.16)
:
X = kualitas gas
= laju aliran massa gas, kg/s = laju aliran massa likuid, kg/s
2.11. Viskositas
Viskositas fluida merupakan ukuran daya hambat aliran fluida, yang juga dapat dinyatakan sebagai keengganan fluida untuk mengalir. Viskositas dari fluida memiliki efek yang penting dari bilangan Reynold dan selanjutnya dapat menentukan apakah aliran tersebut laminar, turbulen atau transisi. Penentuan nilai viskositas sulit diprediksi pada kasus aliran gas-likuid, likuidlikuid, gas-solid, atau likuid-solid. Viskositas digunakan untuk memprediksi friction factor dan dan menentukan liquid holdup untuk holdup untuk aliran gas-likuid. 2.11.1. Viskositas Gas (
)
Viskositas untuk campuran gas pada tekanan dan temperature tertentu bernilai relative kecil. Sehingga pengaruh efek viskositas gas pada pressure drop dan drop dan liquid holdup biasanya holdup biasanya dapat diabaikan. Aliran dari fluida yang dapat dimampatkan ini hamper selalu turbulen dan aliran dianalogikan sebagai satu fase, friction loss loss tidak bergantung lagi dengan viskositas gas. Korelasi perhitungan menggunakan korelasi korelasi Lee et al.
(2.17)
Dengan factor K, X dan y adalah :
(2.18) (2.19)
12
Dimana :
(2.20)
= viskositas gas, cp = densitas gas, gm/cm3 = molecular weight = temperatur, °R
2.12. Penurunan Tekanan ( Presur Presur e Dr op )
Pressure drop adalah drop adalah penurunan tekanan dari satu titik di dalam sistem ke titik lain yang mempunyai tekanan lebih rendah. Pada aliran dua fase banyak korelasi atau metode yang dipakai sesuai kondisi sistem. Pressure drop drop pada aliran dua fase diistilahkan sebagai pressure gradient yaitu penurunan tekanan terjadi setiap meter panjang pipa. Untuk menghitung dan menganalisis pressure drop drop aliran dua fase digunakan dua macam metode pendekatan, yaitu: a. Model aliran homogen (homogeneous flow model) Model
aliran
homogen
merupakan
pemodelan
sederhana
dalam
menentukan pressure drop drop aliran dua fase. Pada konsep ini aliran diasumsikan sebagai aliran satu fase termasuk persamaannya dengan kondisi sifat fisik fluida, likuid dan gas dibuat rata-rata. b. Model aliran terpisah (separated flow model) Metode yang lebih akurat untuk menghitung penurunan tekanan aliran dua fase yaitu menggunakan model aliran terpisah. Pada model ini aliran dua fase diasumsikan sebagai aliran yang terpisah yaitu likuid dan gas dimana masing-masing fase memiliki persamaan yang berbeda. Metode perhitungan pressure drop drop yang digunakan pada penelitian ini yaitu model aliran terpisah (separated flow model).
13
par ated fl ow model 2.12.1. Pressure drop aliran aliran dua fase dengan metode separated
pada pipa vertikal
Perhitungan pressure drop drop pada aliran dua fase dipengaruhi oleh tiga
komponen penting yaitu, static pressure drop ( drop (
mom ),
dan frictional dan frictional pressure drop (
(
1.
total )
=(
Static pressure drop ( drop (
static)
+ (
mom )
static static),
frict ).
+(
momentum pressure
(Thome J. , 2006)
frict )
(2.21)
static)
Unuk pipa dengan posisi vertikal terjadi perubahan static head . Perhitungan yang digunakan adalah :
(
2.
static)
=
g H sin
(2.22)
(2.23)
Momentum pressure drop ( drop (
mom )
Berbeda dengan pipa horizontal, pada pipa vertikal terjadi perubahan static head . Momentum pressure drop mencerminkan drop mencerminkan perubahan energi kinetik dalam aliran dua fase.
(
mom )
= G2total
{* + * +}
(2.24)
Drift Flux model of Rouhani and Axelsson (1970)
(2.25)
3.
Frictional pressure drop (
frict )
Merupakan pressure drop yang disebabkan oleh gesekan (friction) ketika gas dan likuid mengalir bersamaan dalam pipa.
14
Pressur e Dr op 2.12.2. Rekomendasi Metode/Korelasi Perhitungan Press
Whalley (1980) membuat rekomendasi perhitungan pressure perhitungan pressure drop alian dua fase sesuai kondisi properti fluida masing-masing. Whalley membuat perbandingan luas antara berbagai korelasi yang telah ada sebel umnya dan juga database database HTFS (yang terdiri lebih dari 25000 titik data). Rekomendasi yang dibuat adalah: 1.
Apabila (
L/
G)
< 1000 dan laju fluks massa total (G ( G) < 2000 kg/m 2 s (
1471584 lb/h ft 2) , menggunakan korelasi Friedel (1979) 2.
Apabila (
L/
G)
> 1000 dan laju fluks massa total ( G) >100 kg/m 2 s (
73579 lb/h ft 2) , menggunakan korelasi Chisholm (1973) 3.
Apabila (
L/
G)
> 1000 dan laju fluks massa total (G ( G) < 100 kg/m 2 s (
73579 lb/h ft 2) , menggunakan korelasi Lockhart & Martinelli(1949) Marti nelli(1949) 4.
Untuk sebagian besar fluida ( Friedel.
L/
G)
< 1000 menggunakan korelasi
Pada pressure Pada pressure drop tinggi, drop tinggi, metode homogeneous lebih direkomendasikan. 2.12.3. Korelasi Chisholm
Chisholm mengembangkan metode empiris yang luas dan berlaku untuk berbagai kondisi operasi. Korelasi ini direkomendasikan untuk fluida dengan
[(⁄)(⁄)]
nilai indeks properti
. Persamaannya yaitu : (2.26)
Tahapan perhitungan friction perhitungan friction pressure drop sebagai drop sebagai berikut : 1.
Perhitungan friction Perhitungan friction factor
Friction factor diperoleh dengan menganggap aliran tiap fase turbulen turbulen pada Re pada Re
yang ditujukkan persamaan berikut ini:
Likuid
=
(2.27)
15
=
Gas
=
=
(2.28)
(2.29)
(2.30)
Dimana :
2.
: bilangan Reynold likuid : bilangan Reynold gas : friction factor likuid likuid : friction factor gas gas : laju fluks massa total, lbm/hr ft 2 : diameter dalam pipa, ft : viskositas air, lb/h ft : viskositas gas, lb/h ft
Perhitungan Y :
Dimana :
(2.31)
(2.32)
(2.33)
16
3.
Perhitungan Chisholm parameter B:
Untuk 0 < Y < 9.5 menggunakan persamaan :
untuk
untuk untuk
untuk
untuk
(2.35) (2.36)
(2.37) (2.38)
Untuk Y > 28 menggunakan persamaan :
4.
(2.34)
Untuk 9.5 < Y < 28 menggunakan persamaan :
(2.39)
Perhitungan factor Chisholm :
⌊⌊⁄ ⁄ ⌋
(2.40)
Dimana: n = 0.25 ( expression of Blasius ) selanjutnya nilai
dan
disubstitusikan ke persamaan 2. Untuk
memperoleh nilai friction nilai friction pressure drop. (Thome J. , 2006)
17
(Computational F lu id Dynamics) Dynamics) 2.13. Pemodelan CFD (Computational
CFD adalah perhitungan yang mengkhususkan pada fluida. Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, serta species, species, penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi-bagi menjadi beberapa bagian, hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing . Bagian-bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software atau software.. Dalam tugas akhir ini akan dilakukan pemodelan melalui software dengan menggunakan metode Computasional Fluid Dynamic Dynamic (CFD) jenis ANSYS FLUENT 14.0 serta Microsoft serta Microsoft Excel dalam dalam penyajian grafik.
Gambar 2.4 Tahapan utama pemodelan FLUENT
18
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1.
Umum
Penelitian yang dilakukan pada tugas akhir ini secara umum digunakan untuk menganalisis fenomena yang terjadi pada aliran dua fase gas-likuid. Penelitian ini memiliki tahapan utama antara lain perhitungan sifat fisik fluida, perhitungan pressure drop, penentuan distribusi fraksi volume gas (void fraction) fraction) dan likuid (liquid holdup), dan penentuan pola aliran. Analisa dilakukan berdasarkan perhitungan manual, pemodelan software software ANSYS FLUENT 14.0 dan pemetaan pola aliran. 3.2.
Tahap Identifikasi Awal
3.2.1. Identifikasi Masalah
Pada penelitian ini akan dibahas mengenai fenomena yang terjadi pada aliran dua fase gas-likuid yaitu pola aliran, pressure drop, drop, distribusi fraksi volume gas dan likuid. likuid . Jalur pipa yang dianalisis yaitu pipa vertikal vert ikal dengan line number 6SLC-17705-ASA2-(H 6SLC-17705-ASA2-(H)) di PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang. 3.2.2. Studi Pustaka
Pada tahap ini dilakukan pengumpulan informasi baik dari buku, jurnal maupun media internet yang nantinya akan dijadikan sebagai acuan. Luaran yang diperoleh berupa : 1.
Data tentang fluida dua fase
2.
Teori dasar tetang karakteristik aliran dua fase gas likuid
3.
Teori yang terkait dengan metode perhitungan sifat fisik fluida.
4.
Teori yang terkait dengan metode met ode perhitungan pressure perhitungan pressure drop
5.
Teori yang terkait dengan metode pemetaan pola aliran
6.
Dasar penggunaan pemodelan software pemodelan software ANSYS ANSYS FLUENT 14.0
19
3.3.
Tahapan Pengumpulan Data
Tahap pengumpulan data merupakan tahap untuk mengumpulkan data yang berhubungan dengan permasalahan yang diambil. Data yang diperoleh berupa data spesifikasi teknis meliputi gambar isometri, is ometri, gambar P&ID, gambar PFD dan data hasil pengambilan dari parameter terukur meliputi temperatur, tekanan, laju aliran massa, density di density di PT. PUSRI Palembang. 3.4.
Tahap Pengolahan Data
Tahap pengolahan data merupakan tindak lanjut dari pengumpulan data yang telah dilakukan. Adanya penambahan variasi diharapkan dapat memudahkan dalam menganalisis dan memiliki pengaruh yang besar dalam karakteristik pressure drop, drop, distribusi fraksi volume gas (void fraction) dan likuid (liquid holdup) dan pola aliran dua fase. 3.4.1. Perhitungan sifat fisik fluida
Merupakan langkah awal dalam pengolahan data dengan sifat fisik fluida yang dihitung yaitu volume fraction, void fraction, liquid li quid holdup, holdup , kecepatan aktual, kecepatan superficial, volumetric quality, slip velocity, kualitas gas. Masing-masing mempunyai metode perhitungan tertentu. Perhitungan ini digunakan sebagai parameter untuk pengolahan data selanjutnya. 3.4.2. Pr essur e dr op
1. Menentukan metode dan korelasi perhitungan pressure perhitungan pressure drop manual drop manual 2. Melakukan perhitungan manual berdasarkan korelasi Chisholm 3. Melakukan pemodelan FLUENT dalam bentuk kontur tekanan campuran 4. Mengolah dan menampilkan data pressure data pressure drop dalam drop dalam bentuk grafik
20
void f raction 3.4.3. Distribusi void dan dan li quid holdup
1. Melakukan pemodelan FLUENT dalam bentuk kontur fraksi volume gas (void fraction) dan fraction) dan likuid (liquid holdup) 2. Mendapatkan nilai liquid holdup holdup mulai inlet pipa melewati horisontal, elbow, pipa vertikal kemudian menuju outlet pipa pipa 3. Mengolah dan menampilkan data void fraction fraction dan liquid holdup holdup dalam bentuk grafik 3.4.4. Pola Aliran
1. Menentukan metode dan korelasi pola aliran 2. Melakukan pemetaan pola aliran sesuai korelasi yang digunakan 3.5.
Tahap Analisis Dan Kesimpulan
Tahap ini merupakan tahap akhir dari penelitian yang dilakukan antara lain : 3.5.1. Analisis dan pembahasan
Pada tahap ini dilakukan analisis terhadap fenomena yang terjadi pada aliran dua fase gas-likuid yang terdiri dari pressure drop, distribusi void fraction, liquid holdup, dan pola aliran. Analisa dilakukan dengan melihat pengaruh setiap variasi yang digunakan untuk mengetahui karakteristik hubungan dari ketiga hal tersebut. 3.5.2. Kesimpulan dan saran
Tahap ini merupakan tahap pengambilan kesimpulan dari analisis dan pengolahan data yang telah dilakukan yaitu hubungan dari pressure drop, drop, distribusi void fraction,liquid holdup dan holdup dan pola aliran dengan pengaruh variasi. Saran dimaksudkan untuk melakukan penelitian selanjutnya dengan objek penelitian yang lebih luas dan sebagai bahan pertimbangan serta referensi kepada perusahaan untuk dapat diaplikasikan pada sistem lain yang memiliki keidentikan.
21
3.6.
Diagram Alir Proses Pengerjaan Penelitiaan
MULAI
Identifikasi Masalah
Studi Pustaka
Tahap Identifikasi Awal
----------------------------------------------------------------------------------------------------Rumus yang berhubungan dengan aliran dua fase
Tahap Pengumpulan Data
Pengumpulan Data
P&ID,PFD ,Isometric , drawing parameter
----------------------------------------------------------------------------------------------------Perhitungan sifat fisik fluida as-likuid
Penentuan variasi yang digunakan
Pr essure drop
Pola aliran Distribusi fraksi volume gas dan volume (void fr action) likuid (liquid h oldup) Pemetaan pola aliran
Perhitungan manual
Pemodelan FLUENT (kontur tekanan)
Tahap Pengolahan Data
Pemodelan FLUENT (fl ow pattern )
Pemodelan FLUENT ( global void fraction dan ) liquid holdup
----------------------------------------------------------------------------------------------------Analisa dan pembahasan
Kesimpulan dan saran
Tahap analisis dan kesimpulan ----------------------------------------------------------------------------------------------------SELESAI
22
3.7.
Jadwal Penelitian
3.7.1. Waktu
Waktu pelak sanaan tugas tugas akhir akhir ini dimulai pada akhir akhi r semes emester ter 7 yaitu diaw dia wali dengan pengajuan pr p r opos oposal tugas tugas akhir akhir dan dilanjutkan pada semes emester ter 8 dengan waktu penger penger jaan ef ektif ektif ± 5 bulan. 3.7.2. Tempat
Tempat pelak sanaan tu tugas gas akhir akhir ini ini adalah di kampus kampu s Politeknik Per kapalan N kapalan Neeger i Sur abaya abaya (PPNS). (PPNS).
23
3.7.3. Jadwal Penelitian
Jadw adwal pelak sanaan tugas tugas akhir akhir ditampilkan ditampilkan pada tabel ber ber ikut ikut : Table 3.1 Jadwal Penelitian
O Kegiatan Kegiatan
1 2
3
Penyusunan topik Penyusunan proposal proposal Pengumpul
November BOBOT November Minggu Ke(%) 1 2 3 4 10
4
4
4
10
2
2
2
2
2 l
5
Analisa dan
20
JUMLAH JUMLAH KOMULATIF REALISASI
20 100
Maret April Mei Juni Mingg Minggu u Ke- Mingg Minggu u Ke- Ming Minggu gu KeMing Minggu gu Ke1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
2 2 4
20
laporan
2
4
4
6
2
J an anua ri ri Fe br brua ri ri Mingg Minggu u Ke- Mingg Minggu u Ke1 2 3 4 1 2 3 4
20
an referensi dan data P erhitungan
kesimpulan Pembuatan
2
D es es em embe r Mingg Minggu u Ke1 2 3 4
2 6
6
6
6 6
2
2
2
2
2
2
4
6 8 14 20 26 26 32 32 38 38
a s o p o 2 r P g n a d i S
2 2 2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2 2 2 2 2
1 1 1 1 1
1
1
1
1
1
1 1
1 1 1 2 2 1
3 3 3 3
3
3
5
5
5
3
3 3 3 4 4 1
3
3
r i h k A s a g u T g n a d i S
e m i T n o i t c e r r o C
41 44 47 50 53 56 59 64 69 74 77 80 83 86 89 93 97 98
24
DAFTAR PUSTAKA
Genick Bar-Meir, P. (2013). Basic (2013). Basic of Fluid Mechanics. Chicago. Mechanics. Chicago. Halim, A. (2009). Studi Eksperimental dan Numerik Tentang Karakteristik Aliran Dua Fase Gas-Likuid Melewati Elbow 90° Dari Dari Arah Vertikal ke Horisontal. Surabaya: Horisontal. Surabaya: Thesis Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Koestoer, R. A. (1994). Aliran (1994). Aliran Dua Fase dan Fluks Fluks Kalor Kritis. Jakarta: Kritis. Jakarta: Pradya Paramitha. Kreith, F., Berger, S., & al., e. (1999). Fluid (1999). Fluid Mechanics Mechanical Engineering Handbook. CRC Handbook. CRC Press LLC. Somchai, W. (2005). Flow (2005). Flow pattern,pressure drop and void fraction of two phase gas-liquid flow in an inclined narrow annular annular channel. Experimental channel. Experimental Thermal and Fluid Science 30. Thome, J. (2006). Wolverine Engineering Data Book III. WOLVERINE III. WOLVERINE TUBE,INC. Thome, J. G. (1994). Convective Boiling and Condensation. New Condensation. New York: Oxford
DAFTAR PUSTAKA
Genick Bar-Meir, P. (2013). Basic (2013). Basic of Fluid Mechanics. Chicago. Mechanics. Chicago. Halim, A. (2009). Studi Eksperimental dan Numerik Tentang Karakteristik Aliran Dua Fase Gas-Likuid Melewati Elbow 90° Dari Dari Arah Vertikal ke Horisontal. Surabaya: Horisontal. Surabaya: Thesis Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Koestoer, R. A. (1994). Aliran (1994). Aliran Dua Fase dan Fluks Fluks Kalor Kritis. Jakarta: Kritis. Jakarta: Pradya Paramitha. Kreith, F., Berger, S., & al., e. (1999). Fluid (1999). Fluid Mechanics Mechanical Engineering Handbook. CRC Handbook. CRC Press LLC. Somchai, W. (2005). Flow (2005). Flow pattern,pressure drop and void fraction of two phase gas-liquid flow in an inclined narrow annular annular channel. Experimental channel. Experimental Thermal and Fluid Science 30. Thome, J. (2006). Wolverine Engineering Data Book III. WOLVERINE III. WOLVERINE TUBE,INC. Thome, J. G. (1994). Convective Boiling and Condensation. New Condensation. New York: Oxford University Press Inc. Widayana, G. (2010). Studi Eksperimental dan Numerik Aliran Dua Fase (AirUdara) Melewati Elbow 30° Dari Pipa Dengan Sudut Kemiri ngan 60°. Surabaya: Thesis Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
25
