Engineering Design: Line Sizing - Gas Liquid Line Design (4b)

Setelah sebelumnya dibahas mengenai persamaan yang digunakan dalam mendesain line yang dipergunakan untuk menangani fluida dua fasa, pada kesempatan kali ini akan dibahas mengenai aplikasi dari bahasan sebelumnya tersebut lewat soal yang akan dijelaskan dibawah.

Soal:

Diperlukan desain ukuran sebuah line closed drain header yang menampung buangan dari berbagai fluida proses, yang terdiri atas hydrocarbon berupa minyak dan gas. Closed drain header ini alirannya bersifat intermittent. Hanya akan digunakan, ketika kita ingin membuang fluida dari sebuah bejana, utamanya untuk kegiatan maintenance.  Karena fluida tidak mengandung H2S, maka material line yang digunakan adalah carbon steel. Adapun data operasi, berdasarkan simulasi buangan maksimum dari berbagai vessel yang terhubung ke dalam jalur header adalah sebagaimana berikut:

  

Pertanyaan:

Tentukan diameter line yang dapat digunakan untuk closed drain header tersebut sesuai dengan kondisi operasi seperti diatas.

Jawaban:

Berdasarkan standar API RP 14E section 2.5.b, kecepatan minimal yang diperbolehkan adalah sebesar 10 ft/s. Sedangkan, untuk material carbon steel bisa diketemukan, berdasarkan tulisan sebelumnya, konstanta empiris (C) untuk menghitung kecepatan erosi adalah sebesar 150 untuk intermittent service.    

Berdasarkan basis data yang sudah ada, maka didapatkan hasil kalkulasi sebagaimana berikut:

Dari data kalkulasi tersebut, maka bisa didapatkan kriteria desain sebagaimana berikut:

Setelah diketahui kecepatan minimum dan kecepatan maksimum yang berada dalam batasan desain, maka bisa didapatkan diameter maksimum dan minimum yang bisa dijadikan acuan untuk mencari diameter line yang sesuai.

Dari data tersebut, dapat diketahui bahwa diameter yang dibutuhkan ada pada range angka 3 hingga 9 inch. Dari beberapa pilihan ukuran tersebut, kita akan pilih yang sesuai dengan kriteria batasan desain. Hasilnya ditunjukkan, oleh kalkulasi dibawah:

Berdasar dari data tersebut, dapat diketahui bahwa yang memenuhi syarat adalah pipa dengan diameter nominal 4, 6 dan 8 inch. Selanjutnya, akan dilihat profil dari aliran pada tiap-tiap ukuran pipa tersebut. Hasilnya adalah seperti dibawah:

Berdasarkan regime flow, baik horizontal maupun vertikal line, tipe aliran yang ditimbulkan adalah sama. Maka, yang dipakai dalam desain line untuk sistem Closed Drain header ini adalah pipa dengan ukuran NPS 4 inch.

Demikian pembahasan mengenai perhitungan desain untuk mengetahui ukuran pipa yang digunakan untuk menangani fluida dua fasa.

Kita telah membahas desain ukuran pipa, baik untuk menangani fluida cair, gas maupun dua fasa. Pada bagian selanjutnya, kita akan mendesain sebuah pompa.

Keep Stay Tuned

Engineering Design: Line Sizing - Gas Liquid Line Design (4a)

Beberapa rumus yang dipergunakan untuk mendesain ukuran pipa yang menangani campuran fluida gas dan liquid adalah sebagaimana berikut:

1. Kecepatan:

2. Kecepatan erosi:

Adapun konstanta yang digunakan dalam persamaan diatas adalah sebaimana berikut:

3. Laju hilang tekan:

4. Tingkat kebisingan

Dari beberapa rumus tersebut, akan dikombinasikan untuk mendapatkan ukuran pipa sesuai dengan langkah-langkah sebagaimana berikut:

A. Hitung kecepatan erosi dan tentukan ukuran pipa minimum yang dibutuhkan untuk mencegah erosi fluida kedalam pipa.

B. Cek pola dari aliran yang ditimbulkan menggunakan Flow Regime Map, contohnya: "Mandhane et al.Horizontal Flow Regime Map" yang dijelaskan pada gambar 1 seperti dibawah untuk menjamin bahwa pola slug flow tidak terjadi dan annular mist flow yang dikehendaki. Meskipun demikian, jika slug flow pada akhirnya tidak bisa dihindari karena keterbatasan dari faktor lainnya, yakni kecepatan erosi, maka ukuran pipa bisa diterima.

C. Hitung laju hilang tekan sesuai dengan persamaan yang telah dijelaskan sebelumnya.

Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya, untuk sistem perpipaan yang sangat panjang, seperti misalnya pada stasiun pengumpulan gas dan juga jalur perpipaan yang sangat panjang, maka penghitungan sesuai dengan rumus diatas bisa tidak valid dan harus menggunakan alat komputasi numerik yang sesuai, misalnya PIPESIM.

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas mengenai pengaplikasian rumus diatas dalam mendesain ukuran pipa untuk menangani fluida yang berada dalam dua fasa.

Keep Stay Tuned.

Engineering Design: Line Sizing - Liquid Line Design Example (3b)

Setelah membahas cara mendesain sebuah line liquid pada tulisan terdahulu, saatnya kita kembali lagi untuk mempelajari contoh kasus dalam mendesain sebuah line untuk fluida liquid melalui soal dibawah ini:

Soal:

Sump Pit

Dalam sebuah plant, kita mengenal sebuah sistem yang dinamakan Open Drain. Sesuai namanya, sistem ini digunakan untuk menampung semua air buangan yang berada disekitar plant, yang tidak mengandung bahan berbahaya beracun (B3). Contohnya adalah air hujan, kondensat dari steam, dan lain sebagainya.

Sebelum dibuang kembali ke lingkungan, ia ditampung dalam sebuah bak yang disebut sebagai Open Drain Sump Tank, dipompakan ke dalam sebuah separator untuk dipisahkan jika mengandung minyak, untuk kemudian bisa dibuang kembali ke lingkungan di luar Plant.

Kali ini, kita akan mendesain ukuran pipa yang digunakan untuk mengalirkan air dari Open Drain Sump Tank. Detailnya, pipa ini terletak pada discharge pompa Open Drain Pump. Air yang ditransfer tidak mengandung pasir karena yang diambil adalah air yang berada berada pada sisi overflow Open Drain Tank yang terdiri atas dua kompartemen yang berbeda. Diketahui dari data proses, bahwa kondisi pada discharge pompa adalah P = 6.36 psig dan T = 70 F dengan normal flow rate sebesar 20235 lb/hr. Material pipa yang dipakai adalah karbon steel.

Pertanyaan: Tentukan ukuran pipa yang bisa dipakai untuk menyalurkan air tersebut

Jawaban:

Dari data yang bisa diambil dari persoalan diatas, bisa dibuat rincian sebagimana berikut:

Kita ambil kecepatan maksimum yang paling rendah yaitu untuk pipa ukuran kurang dari 4 inch pada desain kriteria (Vmax = 6 ft/s) untuk menghitung diameter minimum yang diijinkan.

Didapatkan Dmin = 1.66 inch. Vmax ini akan digunakan sebagai batasan desain, dengan catatan bahwa pipa yang dipergunakan sebagai trial harus kurang dari 4 inch agar valid. Untuk DP yang diijinkan pada kondisi tersebut, bisa dilihat pada tabel desain kriteria adalah maksimum 1.6 psi/ 100 ft. Bisa disimpulkan, batasan desain adalah sebagai berikut:

Selanjutnya, kita akan mencari ukuran pipa yang sesuai dengan batasan kriteria yang telah ditentukan diatas. Hasilnya bisa dilihat pada tabel dibawah:

Bisa dilihat bahwa pipa dengan Sch 40, NPS 2 dan 3 inch, memnuhi syarat dari segi kecepatan dan juga laju hilang tekan. Maka, bisa dipilih pipa ukuran 2 inch pada kasus kali ini.

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas cara untuk mendesain ukuran pipa yang digunakan untuk menangani fluida dalam dua fasa sekaligus, yakni cair dan gas.

Keep Stay Tuned

Engineering Design: Line Sizing - Liquid Line Design (3a)

Untuk desain ukuran pipa pada jalur cairan, parameter yang digunakan bisa dikatakan kurang lebih sama dengan desain perpipaan dengan menggunakan fluida gas. Yang membedakan adalah dari segi sizing criteria. 

Mari kita tengok kembali persamaan yang digunakan pada waktu kita menentukan ukuran pipa pada fluida gas, yang kali ini dipergunakan untuk mendesain ukuran pipa untuk fluida cair:

================================================================

Formula Dasar

1. Rumus untuk menentukan kecepatan dalam aliran perpipaan untuk fluida satu fasa berbentuk cair:

2. Laju hilang tekan atau pressure drop dalam psi tiap 100 ft panjang aliran, yang dihitung berdasarkan persamaan Darcy:

Untuk mencari Moody friction factor (fm), kita harus mengetahui bilangan Reynoldnya terlebih dahulu, dengan rumus sebagaimana berikut:

Ketika aliran fluida laminar (Re < 2000), maka nilai fm memiliki hubungan dengan bilangan Re, sebagaimana berikut:

Tingkat kekasaran permukaan pipa tidak memiliki efek pada friksi yang dialami oleh aliran pada laju alir laminar. Namun, ketika fluida turbulen, maka nilai fm sangat bergantung pada bilangan Re dan tingkat kekasaran relatif dari sebuah pipa lewat persamaan berikut:

Tingkat kekasaran pipa untuk beberapa material yang berbeda ditunjukkan pada tabel dibawah:

          ================================================================

Sizing Criteria

Batasan dalam mendesain ukuran pipa untuk menangani fluida cair agak lebih rumit jika dibandingkan dengan ketika kita mendesain ukuran pipa untuk fluida gas. Untuk sistem dimana terdapat pasir dalam aliran liquid, misalkan air bawah tanah, maka kecepatan minimum 3 ft/s harus dijaga pada semua ukuran pipa untuk menghindari terjadinya endapan pasir dalam perpipaan.

A. Pumped Liquids
Untuk fluida mendidih yang berada dalam jalur perpipaan yang berhubungan dengan pompa, maka petunjuk untuk laju hilang tekan dan kecepatan aliran yang diperbolehkan ditunjukkan dalam tabel dibawah. Untuk fluida yang dianggap tidak dalam keadaan mendidih, maka suhu fluidanya setidaknya harus 30F dibawah titik didihnya. 

Untuk pompa berjenis reciprocating, perhatian yang spesifik harus diberikan ketika menentukan ukuran suction dan juga discharge pompa terhadap efek pulsasi/ getaran dan juga akselerasi. Secara umum, line didesain untuk kecepatan aliran yang rendah jika dibandingkan dengan pompa centrifugal. 

B. Liquid Flowing by Pressure
Untuk line dimana peristiwa flashing atau penguapan cairan bisa terjadi pada upstream control valve, maka line harus di-desain berdasarkan kriteria yang sama dengan line yang berada pada suction pompa, seperti yang ditunjukkan pada tabel sebelumnya.

Secara umum, untuk fluida liquid yang mengalir karena perbedaan tekanan, kriteria desainnya adalah seperti ditunjukkan pada tabel dibawah:

Jika laju hilang tekan yang tersedia rendah, routing line harus didesain sehingga laju hilang tekan akibat friksi perpipaan aktual tidak melebihi 50% dari laju hilang tekan yang tersedia.

C. Gravity Flow Lines
Untuk laju alir yang terjadi karena gravitasi, maka harus didesain dengan maksimum laju hilang tekan adalah 0.15 psi/ 100 ft panjang ekuivalen (berdasarkan kemiringan 1:100). Perhatian waktu mendesain harus diberikan untuk menghindari flashing pada line yang berada pada barometic legs. Untuk pipa dengan diameter dibawah 8 inchi harus didesain dengan 50% full liquid, sedangkan pipa dengan diameter 8 inchi atau lebih harus didesain dengan 75% full liquid.
 
D. Static Accumulation
Kecepatan maksimal dari line masuk/ meninggalkan tangki yang mengandung hidrokarbon, dan tidak memiliki blanket gas harus dibatasi sebesar 3ft/s pada 30 ft pertama line menuju/dari tangki untuk mencegah akumulasi muatan statis. Kriteria ini berlaku pada tangki yang mengandung fluida yang mudah terbakar seperti diesel.

E. Other Corrosive Liquids
Untuk meminimalisir korosi, pipa yang mengandung liquid korosif  harus didesain dengan batasan kecepatan dan laju hilang tekan maksimum seperti ditunjukkan pad tabel dibawah:

F. Drains
Untuk menghindari terbentuknya deposit partikel padat, pada sistem sewage, closed dan open drains harus didesain dengan kecepatan minimum yang diberikan pada tabel dibawah:

G. Tanks Overflows
Line overflow didesain mengacu pada net laju alir masuk maksimum ke dalam tangki dengan menggunakan head tersedia yang terbentuk pada titik overflow. Untuk overflow yang melalui line vertikal, digunakan persamaan Francis, sebagaimana berikut:

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas mengenai aplikasi dari rumus dan kriteria desain dalam menentukan ukuran pipa yang digunakan untuk mengalirkan fluida liquid

Keep Stay Tuned

Engineering Design: Line Sizing - Gas Line Design Example (2b)

Berikut adalah aplikasi dari bahasan sebelumya, untuk mendesain ukuran sebuah jalur perpipaan yang digunakan untuk menangani fluida gas.

Contoh Soal:

Desainlah sebuah ukuran line nitrogen yang digunakan pada tekanan 125 psig dan suhu 100 F dengan laju alir 1.368 MMSCFD melalui pipa dengan material galvanized carbon steel dengan kekasaran 0.0059 in. Adapun laju hilang tekan yang diperbolehkan adalah sebesar 1 psi/ 100 psig dan tingkat kebisingan pada jarak 3 ft adalah sekitar 85 dB. Tidak ada kelebihan margin desain pada line nitrogen ini.  

Jawaban:

Pertama, kita harus menjabarkan terlebih dahulu, data-data yang sudah diketahui sebelumnya dari soal diatas, sebagaimana berikut :

Dari data tersebut, kita bisa melakukan kalkulasi untuk beberapa ukuran line dengan berdasarkan kriteria desain sebagaimana berikut :

Dari data desain dan juga kriteria desain, dengan menggunakan rumus kecepatan, sebenarnya kita sudah bisa mendapatkan nilai diameter minimum dimana menghasilkan kecepatan maksimum yang diperbolehkan, yakni 1.29 in. Maka kita akan mulai uji pilihan ukuran pipa mulai dari diameter 1 in untuk menentukan apakah ukuran pipa tersebut memenuhi semua kriteria yang ada. 

Untuk ukuran pipa yang dijual mengacu pada standar internasional, bisa dilihat pada tautan dibawah:  https://www.pipefittingweb.com/news/Pipe's%20Wall%20Thickness.pdf

Dengan dimulai dari diameter pipa mininum ukuran satu inch hingga empat inch, hasilnya tercantum seperti dibawah:

Uji kriteria kecepatan yang dihasilkan

Dari segi kecepatan maksimum yang diperbolehkan, pipa ukuran 2,3 dan 4 masih sesuai dengan kriteria desain:

Uji hilang tekan yang diperbolehkan

Dari segi laju hilang tekan, yang maksimum adalah 1 psi/ 100 ft, hanya pipa ukuran 2 dan 3 yang memenuhi syarat:

Uji tingkat kebisingan yang diperbolehkan

Dari segi tingkat kebisingan, pipa ukuran  2, 3 dan 4 memenuhi syarat.

Maka dari segi kriteria desain, yang memenuhi syarat adalah pipa dengan NPS 3 dan 4. Yang dipilih tentu saja adalah pipa dengan dengan ukuran NPS = 3 karena dari segi keekonomisan dan tidak over-design.

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas mengenai cara menentukan ukuran diameter untuk line yang menangani fluida cair.

Keep Stay Tuned

Engineering Design: Line Sizing - Gas Line Design (2a)

Pipeline

Pada kesempatan kali ini, akan dibahas mengenai bagaimana mendesain sebuah line perpipaan untuk fluida gas. Line gas ini bisa ditemui dalam sebuah plant, misalnya adalah line udara baik itu utility air maupun instrument air, kemudian ada juga line nitrogen. 

Line gas seperti yang disebutkan diatas, bisa didesain dengan menggunakan pendekatan gas line sizing. Apa saja yang harus dilakukan dalam mendesain line gas ini, diterangkan secara lebih lengkap melalui tulisan dibawah:

================================================================

Formula Dasar

Sebelum menginjak mengenai cara mendesain ukuran perpipaan, satu hal yang perlu diketahui terlebih dahulu adalah rumus yang digunakan. Dalam hal ini, perpipaan yang digunakan adalah untuk menangani gas, maka rumus yang dihadirkan adalah rumus yang hanya bisa digunakan untuk menangani fluida dalam fasa gas.

1. Rumus untuk menentukan kecepatan dalam aliran perpipaan untuk fluida satu fasa berbentuk gas:

2. Laju hilang tekan atau pressure drop dalam psi tiap 100 ft panjang aliran, yang dihitung berdasarkan persamaan Darcy:

Untuk mencari Moody friction factor (fm), kita harus mengetahui bilangan Reynoldnya terlebih dahulu, dengan rumus sebagaimana berikut:

Ketika aliran fluida laminar (Re < 2000), maka nilai fm memiliki hubungan dengan bilangan Re, sebagaimana berikut:

Tingkat kekasaran permukaan pipa tidak memiliki efek pada friksi yang dialami oleh aliran pada laju alir laminar. Namun, ketika fluida turbulen, maka nilai fm sangat bergantung pada bilangan Re dan tingkat kekasaran relatif dari sebuah pipa lewat persamaan berikut:

Tingkat kekasaran pipa untuk beberapa material yang berbeda ditunjukkan pada tabel dibawah:

3. Tingkat kebisingan:

          ================================================================

Sizing Criteria

Setelah mengetahui mengenai formula yang dipakai, selanjutnya adalah batasan yang digunakan dalam mendesain ukuran pipa. Batasan ini biasanya disebutkan dalam dokumen design basis. Dibawah merupakan aturan yang digunakan untuk menentukan ukuran desain sebuah line yang digunakan untuk menangani sebuah fluida gas.

Beberapa catatan yang diberikan pada kriteria pada tabel tersebut adalah sebagaimana berikut:

1. Untuk line reciprocating compressor, diambil basis yang lebih konservatif, yakni dengan kecepatan maksimum yaitu 40 ft/s.

2. Kecepatan gas yang mengandung karbon dioksida (CO2) tidak boleh melebihi 60 ft/s dimana dalam line tersebut digunakan corrosion inhibitor (CI) yang membentuk lapisan tipis di permukaan pipa bagian dalam. Lewat diatas kecepatan tersebut, maka CI akan kehilangan efektifitasnya.

3. Untuk aliran kontinu (termasuk line di sistem flare), kecepatan uap tidak boleh melebihi kecepatan pengikisan (erosional velocity). Kecepatan terhitung tidak boleh melebihi kecepatan maksimum yang direkomendasikan ataupun kecepatan pengikisannya. Untuk aliran intermittent, dimana hilang tekan bukan menjadi sebuah pertimbangan (misalkan, recycle line dari kompressor), kecepatan tidak boleh melebihi 130 ft/s.

Sebagai tambahan untuk kriteria kecepatan dengan hilang tekan, kecepatan maksimum uap yang diperbolehkan ini berhubungan dengan level kebisingan, yang dihitung berdasarkan rumus berikut:

Maka, jika didapakan kecepatan uap melebihi Vmax untuk tingkat kebisingan, maka pertimbangan harus diberikan kepada jalur perpipaan dan tambahan insulasi kepada perpipaan, sebelum secara signifikan menambah ukuran dari perpipaan tersebut. 

4. Jalur untuk sistem vakum harus memiliki hilang tekan yang kurang dari 0.09 psi/ 100 ft.

Demikian adalah salah satu cara untuk menentukan desain ukuran sebuah perpipaan gas. Pada bagian selanjutnya akan dibahas mengenai contoh pengaplikasian dari berbagai formula yang sudah dijelaskan pada bab ini untuk mendesain ukuran sebuah pipa gas.

Keep stay tuned    

Engineering Design: Line Sizing - Design Basis (1)

Laju alir untuk diameter pipa yang berbeda

Setelah kita belajar mendesain sebuah tangki penyimpan, pada bahasan kali ini, akan dikupas mengenai line sizing atau penentuan ukuran dari sebuah jalur perpipaan. Line sizing merupakan salah satu hal yang didesain pada saat pembuatan sebuah plant karena sangat erat kaitannya dengan kondisi hidraulic yang dialami oleh sebuah pipa. Dimana, sebuah desain perpipaan yang sesuai akan erat kaitannya dengan ketahanan, kondisi waktu dioperasikan (noise, vibrasi, hammering dll) dan segi keamanan dalam sebuah proses.

Pada setiap proyek, penentuan line sizing biasanya sudah dibahas dalam bab design basis dan kode san standard yang berlaku secara internasional. Jika pada basis desain sebuah tangki kita mengenal API 650, maka pada line sizing, kita mengacu pada kode dan standar API 14E dan juga GPSA.

Untuk tiap fase fluida yang ditangani, yakni gas, cair dan fluida dua fasa, memiliki skematis perhitungan yang sama, namun jenis inputan data yang berbeda-beda karena sifat kharakteristiknya yang juga berbeda-beda.  

Berikut adalah skematis cara melakukan line sizing:

1. Pastikan semua parameter dan batasan telah diketahui

2. Hitung minimum diameter yang diperlukan sesuai dengan laju alir fluida

    Pada bagian ini, bisa diambil beberapa diameter 

3. Hitung laju hilang tekan (pressure drop) 

4. Hitung noise yang dihasilkan dari beberapa pipa

5. Ambil diameter pipa yang paling memenuhi semua syarat desain

Untuk fluida yang memiliki dua fasa, satu hal lagi yang perlu diperhatikan adalah mengenai regim aliran. Regim aliran yang dialami oleh fluida dua fasa (cair dan gas) bisa dibagi menjadi beberapa jenis, seperti ditunukkan pada gambar dibawah:

Aliran dua fasa pada perpipaan horizontal dan vertikal

Visualisasi dari grafik diatas untuk aliran horizontal bisa dilihat pada gambar dibawah:

Jenis aliran dua phasa pada perpipaan horizontal

Jenis aliran yang berbeda tersebut tentu saja akan mengakibatkan laju hilang tekan yang juga berbeda yang berpengaruh pada hasil diameter pipa yang dipilih dalam sebuah perhitungan line sizing. Sebagai tambahan, untuk sistem gas gathering dan juga flowlines yang panjang tidak bisa menggunakan grafik seperti diatas. Namun, dengan menggunakan software yang sesuai, seperti PIPESIM karena bisa jadi akan ditemukan lebih dari satu jenis pola aliran yang bisa terbentuk. Hal ini biasanya perhitungannya akan masuk ke dalam sebuah dokumen khusus yang dinamakan "Flow Assurance".

Pada bagian selanjutnya akan dibahas mengenai cara menghitung line sizing, masing-masing untuk gas, cair dan juga fluida dua fasa.

Keep Stay Tuned