pressure drop aliran dua fase
DESCRIPTION
aliran dua faseTRANSCRIPT
i
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ........................................................................................................................ i
BAB I .................................................................................................................................. 1
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 PUSTAKA ..................................................................................................... 4
2.1. Pengertian Aliran Multifase ................................................................................ 4
2.2. Aliran dua fase gas-liquid ................................................................................... 5
2.3. Pola Aliran Multifase (Multiphase Flow Regime) .............................................. 5
2.3.1. Flow Regime Gas-Liquid Pada Pipa Vertikal ..................................................... 5
2.3.2. Pemetaan Flow Regime Aliran Dua Fase ........................................................... 7
2.4. Fluks massa......................................................................................................... 8
2.5. Volume Fraction ................................................................................................. 8
2.6. Void fraction dan liquid holdup .......................................................................... 9
2.7. Kecepatan ........................................................................................................... 9
2.7.1. Kecepatan Superficial ....................................................................................... 10
2.7.2. Kecepatan rata-rata gas dan likuid .................................................................... 10
2.8. Volumetric Quality ( ..................................................................................... 11
2.9. Slip velocity....................................................................................................... 11
2.10. Kualitas Gas (Gas Quality) ............................................................................... 12
2.11. Viskositas.......................................................................................................... 12
2.11.1. Viskositas Gas ( ) ......................................................................................... 12
2.12. Penurunan Tekanan ( Presure Drop ) ............................................................... 13
2.12.1. Pressure drop aliran dua fase dengan metode separated flow model pada pipa
vertikal .............................................................................................................. 14
2.12.2. Rekomendasi Metode/Korelasi Perhitungan Pressure Drop ............................ 15
2.12.3. Korelasi Chisholm ............................................................................................ 15
2.13. Pemodelan CFD (Computational Fluid Dynamics).......................................... 18
ii
BAB III ............................................................................................................................. 19
METODOLOGI 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 Data ............................................................................. 20
3.4. Tahap Pengolahan Data .................................................................................... 20
3.4.1. Perhitungan sifat fisik fluida ............................................................................ 20
3.4.2. Pressure drop ................................................................................................... 20
3.4.3. Distribusi void fraction dan liquid holdup ........................................................ 21
3.4.4. Pola Aliran ........................................................................................................ 21
3.5. Tahap Analisis Dan Kesimpulan ...................................................................... 21
3.5.1. Analisis dan pembahasan .................................................................................. 21
3.5.2. Kesimpulan dan saran ....................................................................................... 21
3.6. Diagram Alir Proses Pengerjaan Penelitiaan .................................................... 22
3.7. Jadwal Penelitian .............................................................................................. 23
3.7.1. Waktu................................................................................................................ 23
3.7.2. Tempat .............................................................................................................. 23
3.7.3. Jadwal Penelitian .............................................................................................. 24
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................... 25
1
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
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
decomposer (HP decomposer) dan Low pressure decomposer (LP
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/cm2g dan
22,2 kg/cm2g. Hasil peruraian berupa gas CO2 dan NH3 dikirim ke bagian
recovery, sedangkan larutan ureanya dikirim ke bagian kristaliser. Fluida gas
memiliki laju aliran massa 127.000 kg/jam dan fluida liquid sebesar 1430000
kg/jam. Fluida medium low pressure steam condensate melalui jalur 6SMLC-
12230-BSA2-(H) dengan suhu 244°C dan bertekanan 25 kg/cm2g. Setelah
melewati control valve (LV-106) fluida diteruskan melewati jalur pipa vertikal
dengan line number 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/cm2
g.
Aliran dua fase merupakan bagian dari aliran multi fase mempunyai
fenomena yang sangat kompleks dibanding pada aliran satu fase diantaranya
2
adalah interaksi antar fase, pengaruh deformasi permukaan dan pergerakan
antar fluida, pengaruh ketidakseimbangan fase, perubahan pressure 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) yang terbentuk dalam saluran tersebut
akibat interaksi antar fase fluida tersebut. Aliran yang mengalami perubahan
flow pattern ( flow regime) dapat menyebabkan pressure drop yang berubah-
ubah 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). Dalam menganalisis penelitian ini akan dilakukan
perhitungan manual dan pemodelan CFD menggunakan 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-ASA2- (H) ?
2. Bagaimana 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. Berapa besarnya penurunan tekanan (pressure 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- (H)
3
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) 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 fase
3. Material pipa yang digunakan A106GR. B seamless pipe
4. NPS pipa 6”
5. Jalur pipa yang dianalisis yaitu pipa vertikal line number 6SLC-17705-
ASA2- (H)
6. Software yang digunakan pada pemodelan yaitu ANSYS CFD FLUENT
14.0
4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengertian Aliran Multifase
Sebuah aliran multifase berhubungan dengan solid, liquid atau gas.
Aliran multifase adalah aliran dari sebuah campuran dari fase-fase seperti gas-
gas (bubbles) dalam sebuah liquid, atau liquid (droplets) di dalam gas atau
kombinasi aliran dari fase solid, liquid dan gas secara simultan di dalam pipa
yang sama. Banyak aplikasi engineering dan scientific mengenai multifase,
seperti gas-liquid flow, liquid-solid(slurry), liquid-liquid flow dan gas-solid
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 di dalam mesin-
mesin 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 velocity profile, 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 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 dari aliran
multifase.
5
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 berbeda, metode untuk
memperkirakan fraksi volume, dan penurunan tekanan dua fase.
2.3. Pola Aliran Multifase (Multiphase Flow Regime)
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 dari
tiap fase. Konfigurasi-konfigurasi aliran ini disebut “REGIMES” atau “ FLOW
PATTERN”. Flow regimes dibedakan dengan perbedaan gas-liquid interfaces.
Mekanisme massa, momentum, dan transfer energy antar fase-fase adalah
berbeda di dalam perbedaan flow regimes. Jadi penting untuk mengetahui
perbedaan flow regimes pada aliran-aliran horizontal dan vertical. Dari
multifase flow regimes, gas-liquid dua fase flow regimes akan dijelaskan lebih
lanjut
2.3.1. Flow Regime Gas-Liquid Pada Pipa Vertikal
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)
6
Gambar 2.1 Pola aliran dua fase gas-likuid pada pipa vertikal (John G.
Collier F.R.S. F.ENG & John R. Thome D.Phil, 1994)
a. Aliran gelembung (Bubbly Flow)
Dimana gelembung uap diperkirakan mempunyai ukuran uniform.
b. Aliran kantung gas (Slug Flow)
Dimana gas yang mengalir membentuk gelembung besar (kadang-
kadang gelembung gas kecil terdistribusi di cairan).
c. Aliran acak (Churn Flow)
Dimana terjadi gerakan osilasi sehingga cairan menjadi tidak stabil.
d. Aliran cincin kabut (Wispy-Annular Flow)
Dimana konsentrasi tetesan dalam gas bertambah dan akhirnya
bergabung membentuk gumpalan.
e. Aliran cincin (Annular Flow)
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
7
2.3.2. Pemetaan Flow Regime Aliran Dua Fase
Pada gambar di bawah merupakan pemetaan pola aliran menurut
(Hewitt and Roberts 1969) hasil dari penelitian pada tekanan rendah udara-
air dan tekanan tinggi aliran gas-air pada tabung vertikal berukuran kecil (1-
3cm).
Gambar 2.2 Pemetaan pola aliran untuk aliran vertikal ( Hewitt dan Roberts,
1969)
Persamaannya adalah :
Absis :
[ ( ]
(2.1)
Ordinat :
[ ]
(2.2)
Dimana :
: superficial momentum fluxes of liquid (kg/s
2m atau lb/s
2 ft)
: superficial momentum fluxes of gas(kg/s
2m atau lb/s
2 ft)
8
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 :
= fluks massa gas
= laju aliran massa gas (kg/s)
= laju aliran massa likuid (kg/s)
2.5. Volume Fraction
Volume fraction adalah parameter yang penting dalam aliran multifase.
Properti multifase mixture diatur oleh volume fraction dari tiap fase. Volume
fraction dari tiap fase dalam multifase mixture digambarkan sebagai berikut :
(2.6)
Dimana :
= volume fraction untuk semua dispersed phase k
= volume dispersed phase (m3)
= volume mixture (m3)
9
2.6. Void fraction dan liquid holdup
Dalam aliran dua fase, istilah volume fraction yang di gambarkan di
atas kadang-kadang disebut sebagai void fraction untuk fase gas dan sering
juga disebut sebagai fraksi liquid/liquid holdup untuk fase likuid. Jadi, di
dalam hal cair-gas aliran dua fase, void fraction adalah :
(2.7)
(2.8)
Dimana,
= fraksi likuid (liquid holdup)
= fraksi gas (void fraction)
= volume pada fase gas (m3)
= volume pada campuran (mixture) (m3)
2.7. Kecepatan
Pada aliran dua fase banyak korelasi menyebut kecepatan sebagai
kecepatan superficial (superficial velocity). Kecepatan superficial
didefinisikan sebagai kecepatan fase gas/likuid yang menunjukkan bahwa fase
tersebut dialirkan melalui atau menempati seluruh luas penampang pipa (A).
Gambar 2.3 Visualisasi kecepatan aliran dua fase (Time,2011)
USL
USG
10
2.7.1. Kecepatan Superficial
1. Kecepatan superficial gas ( )
(2.9)
2. Kecepatan superficial liquid ( )
(2.10)
3. Kecepatan campuran ( )
(2.11)
Dimana :
= kecepatan superficial gas (m/s)
= kecepatan superficial liquid (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 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, void fraction dan fraksi likuid (cair) diketahui korelasi berikut bisa
dikembangkan :
1. Kecepatan aktual gas ( )
(2.12)
2. Kecepatan aktual likuid ( )
(2.13)
Dimana,
= kecepatan superficial gas (m/s)
= kecepatan superficial likuid (m/s)
11
= laju aliran gas dalam pipa ( m3/s)
= laju aliran likuid dalam pipa ( m3/s)
G = luas gas (m2)
= luasan likuid (m2)
2.8. Volumetric Quality (
Adalah ratio dari volume flow rate fase apa saja ke total volume flow
rate. dalam satu dimensional steady state two phase flow adalah :
(2.14)
Dimana :
= volumetric quality pada gas
= laju aliran gas dalam pipa ( m3/s)
= laju aliran likuid dalam pipa ( m3/s)
= kecepatan superficial gas (m/s)
= kecepatan superficial likuid (m/s)
2.9. Slip velocity
Dalam hal perbedaan kepadatan, ketiga gas dan likuid mengalir secara
simultan di dalam sebuah jalur pipa, fase gas mengalir lebih cepat dibanding
fase likuid. Gas menjauh (slipping away/slip) dari likuid. Slip velocity
digambarkan sebagai perbedaan dari rata-rata kecepatan gas dan likuid.
(2.15)
Dimana,
= slip velocity (m/s)
= kecepatan rata-rata gas (m/s)
= kecepatan rata-rata likuid (m/s)
12
2.10. Kualitas Gas (Gas Quality)
Pada kondisi steady state, persamaan kualitas gas yaitu :
(2.16)
Dimana :
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, likuid-
likuid, gas-solid, atau likuid-solid. Viskositas digunakan untuk memprediksi
friction factor dan menentukan liquid 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 liquid holdup biasanya dapat diabaikan. Aliran dari fluida yang dapat
dimampatkan ini hamper selalu turbulen dan aliran dianalogikan sebagai satu
fase, friction loss tidak bergantung lagi dengan viskositas gas. Korelasi
perhitungan menggunakan korelasi Lee et al.
( (2.17)
Dengan factor K, X dan y adalah :
(
( (2.18)
(2.19)
13
(2.20)
Dimana :
= viskositas gas, cp
= densitas gas, gm/cm3
= molecular weight
= temperatur, °R
2.12. Penurunan Tekanan ( Presure Drop )
Pressure 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 pada aliran dua fase diistilahkan sebagai pressure gradient yaitu
penurunan tekanan terjadi setiap meter panjang pipa.
Untuk menghitung dan menganalisis pressure 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 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 yang digunakan pada penelitian ini
yaitu model aliran terpisah (separated flow model).
14
2.12.1. Pressure drop aliran dua fase dengan metode separated flow model
pada pipa vertikal
Perhitungan pressure drop pada aliran dua fase dipengaruhi oleh tiga
komponen penting yaitu, static pressure drop ( static), momentum pressure
drop ( mom ), dan frictional pressure drop ( frict ). (Thome J. , 2006)
( total) = ( static) + ( mom ) + ( frict ) (2.21)
1. Static pressure drop ( static)
Unuk pipa dengan posisi vertikal terjadi perubahan static head.
Perhitungan yang digunakan adalah :
( static) = g H sin (2.22)
( (2.23)
2. Momentum pressure drop ( mom )
Berbeda dengan pipa horizontal, pada pipa vertikal terjadi perubahan
static head. Momentum pressure drop mencerminkan perubahan energi
kinetik dalam aliran dua fase.
( mom ) = G2
total {*(
(
+
*(
(
+ } (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.
15
2.12.2. Rekomendasi Metode/Korelasi Perhitungan Pressure Drop
Whalley (1980) membuat rekomendasi perhitungan pressure drop alian
dua fase sesuai kondisi properti fluida masing-masing. Whalley membuat
perbandingan luas antara berbagai korelasi yang telah ada sebelumnya dan juga
database HTFS (yang terdiri lebih dari 25000 titik data). Rekomendasi yang
dibuat adalah:
1. Apabila ( L/ G) < 1000 dan laju fluks massa total (G) < 2000 kg/m2
s (
1471584 lb/h ft2) , menggunakan korelasi Friedel (1979)
2. Apabila ( L/ G) > 1000 dan laju fluks massa total (G) >100 kg/m2
s (
73579 lb/h ft2) , menggunakan korelasi Chisholm (1973)
3. Apabila ( L/ G) > 1000 dan laju fluks massa total (G) < 100 kg/m2
s (
73579 lb/h ft2) , menggunakan korelasi Lockhart & Martinelli(1949)
4. Untuk sebagian besar fluida ( L/ G) < 1000 menggunakan korelasi
Friedel.
Pada pressure 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 pressure drop sebagai berikut :
1. Perhitungan friction factor (
Friction factor diperoleh dengan menganggap aliran tiap fase turbulen
pada Re yang ditujukkan persamaan berikut ini:
Likuid
=
(2.27)
16
=
(2.28)
Gas
=
(2.29)
=
(2.30)
Dimana :
: bilangan Reynold likuid
: bilangan Reynold gas
: friction factor likuid
: friction factor gas
: laju fluks massa total, lbm/hr ft2
: diameter dalam pipa, ft
: viskositas air, lb/h ft
: viskositas gas, lb/h ft
2. Perhitungan Y :
(
)
(2.31)
(
)
(2.32)
Dimana :
(
)
(
)
(2.33)
17
3. Perhitungan Chisholm parameter B:
Untuk 0 < Y < 9.5 menggunakan persamaan :
untuk (2.34)
untuk (2.35)
untuk (2.36)
Untuk 9.5 < Y < 28 menggunakan persamaan :
untuk (2.37)
untuk (2.38)
Untuk Y > 28 menggunakan persamaan :
(2.39)
4. Perhitungan factor Chisholm :
( ⌊ ( ⁄ ( ( ⁄ ⌋ (2.40)
Dimana:
n = 0.25 ( expression of Blasius )
selanjutnya nilai(
) dan
disubstitusikan ke persamaan 2. Untuk
memperoleh nilai friction pressure drop. (Thome J. , 2006)
18
2.13. Pemodelan CFD (Computational Fluid Dynamics)
CFD adalah perhitungan yang mengkhususkan pada fluida. Atas
prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa,
serta 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.
Dalam tugas akhir ini akan dilakukan pemodelan melalui software
dengan menggunakan metode Computasional Fluid Dynamic (CFD) jenis
ANSYS FLUENT 14.0 serta Microsoft Excel dalam penyajian grafik.
Gambar 2.4 Tahapan utama pemodelan FLUENT
19
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) dan likuid (liquid holdup), dan penentuan pola aliran. Analisa
dilakukan berdasarkan perhitungan manual, pemodelan 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, distribusi fraksi
volume gas dan likuid. Jalur pipa yang dianalisis yaitu pipa vertikal dengan line
number 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 perhitungan pressure drop
5. Teori yang terkait dengan metode pemetaan pola aliran
6. Dasar penggunaan pemodelan software ANSYS FLUENT 14.0
20
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, gambar P&ID, gambar
PFD dan data hasil pengambilan dari parameter terukur meliputi temperatur,
tekanan, laju aliran massa, 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, 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 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. Pressure drop
1. Menentukan metode dan korelasi perhitungan pressure drop manual
2. Melakukan perhitungan manual berdasarkan korelasi Chisholm
3. Melakukan pemodelan FLUENT dalam bentuk kontur tekanan campuran
4. Mengolah dan menampilkan data pressure drop dalam bentuk grafik
21
3.4.3. Distribusi void fraction dan liquid holdup
1. Melakukan pemodelan FLUENT dalam bentuk kontur fraksi volume gas
(void fraction) dan likuid (liquid holdup)
2. Mendapatkan nilai liquid holdup mulai inlet pipa melewati horisontal,
elbow, pipa vertikal kemudian menuju outlet pipa
3. Mengolah dan menampilkan data void fraction dan liquid 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,
distribusi void fraction,liquid 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.
22
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------
Tahap Identifikasi Awal
Tahap Pengumpulan Data
Tahap Pengolahan Data
Tahap analisis dan kesimpulan
3.6. Diagram Alir Proses Pengerjaan Penelitiaan
Perhitungan sifat fisik
fluida gas-likuid
Penentuan variasi yang digunakan
Pola aliran Pressure drop Distribusi fraksi volume gas
(void fraction)dan volume
likuid (liquid holdup)
Analisa dan pembahasan
Kesimpulan dan saran
SELESAI
MULAI
Identifikasi Masalah
Studi Pustaka
Pengumpulan Data P&ID,PFD
,Isometric
drawing,
parameter
Rumus yang
berhubungan dengan
aliran dua fase
Perhitungan manual
Pemodelan FLUENT
(kontur tekanan)
Pemodelan FLUENT
(flow pattern)
Pemodelan FLUENT
( global void fraction dan
liquid holdup)
Pemetaan pola aliran
23
3.7. Jadwal Penelitian
3.7.1. Waktu
Waktu pelaksanaan tugas akhir ini dimulai pada akhir
semester 7 yaitu diawali dengan pengajuan proposal tugas akhir dan
dilanjutkan pada semester 8 dengan waktu pengerjaan efektif ± 5
bulan.
3.7.2. Tempat
Tempat pelaksanaan tugas akhir ini adalah di kampus Politeknik
Perkapalan Negeri Surabaya (PPNS).
24
3.7.3. Jadwal Penelitian
Jadwal pelaksanaan tugas akhir ditampilkan pada tabel berikut :
Table 3.1 Jadwal Penelitian
BOBOT
(%)
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
4 Perhitungan 20 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
5 Analisa dan
kesimpulan
20 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
100 2 2 2 2 2 6 6 6 6 6 3 3 3 3 3 3 3 5 5 5 3 3 3 3 3 4 4 1
89 93 97 98
REALISASI
69 74 77 80 83 8647 50 53 56 59 6420 26 32 38 41 44
1
JUMLAH
JUMLAH
KOMULATIF2 2 4 6 8 14
1 1 1 1 2 21 1 1 1 1 11 1 1 1 16Pembuatan
laporan20
2 2 2 23
Pengumpul
an referensi
dan data
10 2
4
Co
rrec
tio
n T
ime
Sid
an
g T
ug
as
Ak
hir
2Penyusunan
proposal20
Sid
an
g P
rop
osa
l
4 4 4 4
Minggu Ke- Minggu Ke-
1Penyusunan
topik 10 2 2 2 2 2
Maret April Mei Juni
Minggu Ke- Minggu Ke- Minggu Ke- Minggu Ke- Minggu Ke- Minggu Ke-NO Kegiatan
November Desember Januari Februari
25
DAFTAR PUSTAKA
Genick Bar-Meir, P. (2013). Basic of Fluid Mechanics. Chicago.
Halim, A. (2009). Studi Eksperimental dan Numerik Tentang Karakteristik Aliran
Dua Fase Gas-Likuid Melewati Elbow 90° Dari Arah Vertikal ke
Horisontal. Surabaya: Thesis Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
Koestoer, R. A. (1994). Aliran Dua Fase dan Fluks Kalor Kritis. Jakarta: Pradya
Paramitha.
Kreith, F., Berger, S., & al., e. (1999). Fluid Mechanics Mechanical Engineering
Handbook. CRC Press LLC.
Somchai, W. (2005). Flow pattern,pressure drop and void fraction of two phase
gas-liquid flow in an inclined narrow annular channel. Experimental
Thermal and Fluid Science 30.
Thome, J. (2006). Wolverine Engineering Data Book III. WOLVERINE
TUBE,INC.
Thome, J. G. (1994). Convective Boiling and Condensation. New York: Oxford
University Press Inc.
Widayana, G. (2010). Studi Eksperimental dan Numerik Aliran Dua Fase (Air-
Udara) Melewati Elbow 30° Dari Pipa Dengan Sudut Kemiringan 60°.
Surabaya: Thesis Institut Teknologi Sepuluh Nopember.