Pengaruh Konsentrasi Padatan Terhadap Kerugian Tekanan Aliran Lumpur
Ridwan 1a
1 Laboratorium Teknik Mesin,  Fakultas Teknologi Industri Universitas Gunadarma a ridwan@staff.gunadarma.ac.id

## Abstraksi
Lumpur  pada  dasarnya  adalah  campuran  antara  partikel  padat  dan  air  membentuk  suatu suspensi.  Pada  saat  lumpur  dialirkan  melalui  pipa,  dan  jika  tekanan  dalam  aliran  tersebut tidak  cukup  tinggi  untuk  mengatasi  hambatan/gesekan  antar  partikel  dan  juga  terhadap dinding saluran maka sistem tidak bekerja secara baik dan optimal. Kerugian tekanan dalam setiap aliran fluida perlu diketahui dan diperhitungkan karena mempengaruhi kinerja sistem secara keseluruhan. Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh konsentrasi padatan lumpur/concentration  weight  (Cw)  terhadap  kerugian  tekanan  yang  terjadi  pada  sistem. Fluida uji berupa lumpur dengan dua variasi Cw yakni Cw 25% dan Cw 50 %, serta fluida air standard (Cw 0 %). Pipa uji yang digunakan adalah pipa Acrylic dengan diameter dalam 1” (25,4 mm) dengan panjang seksi uji 200 mm. Rangkaian alat uji dirancang dan dibuat, serta  dilengkapi  dengan  alat  ukur/alat  batu    antara  lain:  pompa  lumpur  (jenis  piston), manometer,  gelas  ukur,  timbangan  digital,  tangki  penampungan,  stopwatch,  computer pengolah  data,  dll.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  semakin  tinggi  konsentrasi kepadatan  lumpur  (Cw),  maka  faktor  gesekan  dan  kerugian  tekanan  yang  terjadi  semakin besar untuk setiap perbandingan kecepatan/Bilangan Reynolds yang sama. Kerugian tekanan aliran  lumpur  pada  kecepatan  aliran    0,5  m/det  sampai  0,65  m/det  memberikan  kerugian tekanan yang paling rendah.
Kata Kunci : konsentrasi padatan, tekanan,  lumpur, manometer

## The Influence of Concentration Weight to Mud Flow Pressure Loss

## Abstract
Mud is basically a mixture of solid particles and water forming a suspension. At the time of the mud is flowing through pipes, if the pressure of the flow is not high enough to overcome the drag/friction between particles and against the walls of the channels, then the system will not work properly and optimally. The pressure loss in each fluid flows needs to be recognized and calculated because it will affect the whole system performance. The purpose of the study is  to  observe the influence of  concentration  weight (Cw) to  the pressure loss on the system. The  test  fluid  is  mud  with  two  variations  of  Cw  namely  Cw  25%  and  Cw  50%,  as  well  as, standard hydraulic fluid (Cw 0%). The test pipe used is  acrylic pipe with inner diameter of 1”  (25,4  mm)  and  length  of  200  mm.  The  equipment  composition  is  designed  and manufactured,  as  well  as  equipped  by  measuring  tools  such  as  pumps  (piston  type), manometer, beaker glass, digital scales, tank shelters, stopwatch, data processing computer, etc. The result of analysis indicates that the higher concentration weight of mud, the bigger
friction  and  pressure  loss  occuring  in  the  same  Reynolds  number/speed  comparisons.  The pressure  loss  of  mud  flow  with  the  speed  of  0,5  m/sec  to  0,65  m/sec  contributes  the  lowest pressure loss.
Keywords: Concentration weight, pressure, mud, manometer

## PENDAHULUAN
Fluida  dapat  mengalir  di  dalam  pipa dengan kecepatan yang diinginkan bila gaya hambat  yang  terjadi  di  dalam  pipa  tersebut dapat  diatasi  [Abulnaga,  2002].  Kerugian energi yang dibutuhkan untuk memindahkan fluida  disebut  kerugian  jatuh  tekanan. Kerugian  jatuh  tekanan  yang  membutuhkan energi  dapat  direduksi  dengan  pengurangan hambatan  dalam  aliran.  Untuk  mendorong fluida  dalam  sistem  perpipaan  dibutuhkan energi  yang  sesuai  dengan  kapasitas  aliran yang  dibutuhkan.  Pemakaian  energi  yang diperlukan  itu  dapat  dihemat  dengan  tidak me-ngurangi kapasitas yang sudah ditentukan [Chanhee, 2008]. Tujuan penelitian  ini  adalah  mengetahui  pengaruh konsentrasi  padatan  lumpur/concentration weight (Cw) terhadap kerugian tekanan yang terjadi pada sistem.

## TINJAUAN PUSTAKA
Pada  umumnya  transportasi  slurry  di industri  menggunakan closed  duct (pipa). Sistem  transportasi  slurry  dalam  pipa  harus menghindari  dua  kondisi  ekstrem  yaitu: kecepatan terlalu rendah yang akan membuat  padatan  mulai  mengendap,  dan
kecepatan  terlalu  tinggi  yang  menyebabkan tingkat  abrasi  pipa  dan  pressure  drop  (yang berarti  juga  kebutuhan  daya  pompa)  yang berlebihan [Plumlee, 2008].
Lumpur termasuk dalam kategori fluida non-Newtonian multi  phase dimana  karak- teristik  dan  perilakunya  sangat  berbeda dengan fluida Newtonian (air) saat dialirkan dalam pipa. Kekentalan lumpur bukan hanya dipengaruhi  oleh  temperatur  dan  tekanan tapi  juga  kecepatan  aliran.    Pada  Gambar  1 terlihat  bahwa  sistem  aliran  lumpur    memi- liki  kerugian  jatuh  tekanan  ( pressure  drop ) yang  lebih  tinggi  dibanding  dengan  fluida air,  pada    gambar  tersebut  juga  dapat diketahui  bahwa  ada  daerah  tertentu  yakni daerah  3-4  ( asymetric  flow )  yang  mana terlihat pressure  drop lumpur  mendekati pressure  drop fluida  air  yang  berarti  bahwa daerah tersebut  adalah daerah  ( region )  yang optimal untuk aliran lumpur pada pipa bulat. Sebaliknya pada daerah 1-2 (stationary bed) terlihat pressure  drop aliran  lumpur  relatif jauh lebih tinggi diatas pressure drop fluida air.  Hal  ini  mengindikasi-kan  bahwa  daerah tersebut  seharusnya  dihindari  dalam  aliran slurry  sehingga  didapatkan  aliran  yang optimal  dalam  hal  meminimkan  pemakaian energi  pada  pompa  [Changhee,  2008] [Fokeer, 2009].
Gambar. 1 Hubungan antara Kecepatan aliran dan Kerugian tekanan [Changhee, 2008]
Selain terjadi pressure drop yang tinggi pada  zone  1-2  juga  pada  daerah  tersebut slurry sangat  sulit  mengalir  dan  terjadi penyumbatan  ( sludge) ,  untuk  itu  perlu dilakukan  penelitian  untuk  mengetahui daerah  (region)  serta  kecepatan  yang  op- timal,  yang  menghasilkan  kerugian  tekanan yang  paling  rendah  sehingga  memberikan keuntungan  berupa  penghematan  energi dalam sistem aliran tersebut [Fokeer, 2010]. Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui pengaruh konsentrasi atau kandungan padatan  lumpur  (Cw)  terhadap  kerugian tekanan yang terjadi pada pipa bulat.

## Metode Penelitian
Penelitian  ini  diselesaikan  dengan metode  eksperimen.  Pelaksanaan  penelitian dimulai  dengan  kajian  pustaka/standard, untuk  merancang,  membuat  dan  mengambil data  pada  alat  uji  yang  dibuat.  Alat  uji (Setup  Penelitian)  secara  skematik  dapat dilihat pada Gambar 2: Peralatan pendukung yang  digunakan  dalam  penelitian  ini diantaranya  sebagai  berikut:  Pompa  lumpur jenis  piston,  tangki  penampungan,  mano- meter,  valve/katup  pengatur,  pipa  penyalur, gelas  ukur,  stopwacth,  timbangan,  kunci- kunci (tools), komputer, dan lain-lain.
Rancangan    alat  uji  ditampilkan  pada Gambar  2.  Fluida  yang  diuji  (fluida  uji) ditempatkan  pada  penampungan  fluida (tangki),  fluida  uji  terdiri  dari  air  biasa/ standard  yang  tidak  mengandung  partikel padat (Cw 0 %) dan fluida uji berupa lumpur
yang  mengandung  partikel  padat  25  % massa  terhadap  total  massa  larutan  (Cw  25 %),  dan  fluida  uji  berupa  lumpur  yang mengandung  partikel  padat  50  %  massa terhadap  total  massa  larutan  (Cw  50  %). Fluida uji ini dialirkan/disirkulasikan dengan bantuan pompa piston. Saluran hisap pompa berupa  saluran  utama  terhubung  dengan tangki  penampungan  dan  saluran  yang bawah  berfungsi  sebagai by-pass .  Pada  saat katup by-pass terbuka  penuh  maka  aliran dari  pompa  akan  kembali  lagi  menuju penampungan  sehingga  tidak  ada  fluida yang  menuju  ke  pipa  uji.  Sesaat  setelah katup by-pass mulai ditutup dan katup utama dibuka  maka  fluida  mengalir  melalui  pipa uji,    dan  perbedaan  head  (Δh)  terbaca  pada kedua manometer.
Fluida uji baik Cw 0 %, Cw 25 %, dan Cw 50%  tersebut dialirkan menuju pipa uji yakni  pipa  bulat  (circular  pipe)  dari  bahan acrylic yang memiliki diameter dalam 1 inci (25,4  mm).  Fluida  uji  khususnya  untuk lumpur  yang  ada  dalam  tangki  penam- pungan,  sebelum  dialirkan  menuju  pipa  uji terus  diaduk  untuk  menjaga  homogenitas- nya.  Kerugian  head  (head  loss)  diukur  pada jarak antara dua pressure tap (manometer) 1 dan 2 yang berjarak 2000 mm.  Debit  aliran diketahui  dengan  mencatat  waktu  yang dibutuhkan  sampai  gelas  ukur  mencapai volume  5  liter.  Pada  saat  yang  sama  dicatat angka  penunjukan  pada  manometer  1  dan manometer 2 sehingga diketahui selisih/per- bedaan ketinggian/tekanan yang terjadi.
Gambar.2 Setup Alat
Massa jenis  fluida uji  diketahui dengan menimbang  fluida  yang  tertampung  dalam gelas  ukur.  Kecepatan  aliran  lumpur  me- masuki  pipa  uji  diatur  dari  bukaan  katup. Variasi  bukaan  katup  yaitu  30 o ,  40 o ,  50 o , 60 o ,  70 o ,  80 o ,  dan  90 o (bukaan  katup  90 0 adalah  katup/valve  terbuka  sempurna). Pengambilan data dimulai dari aliran dengan
bukaan katup 30 o , 40 o , sampai bukaan katup 90 o .  Pengambilan  data  dimulai  dengan menggunakan fluida uji air (Cw 0%) sebagai data pembanding/standard, dilanjutkan pengambilan  data  untuk  fluida  uji  lumpur Cw  25%  dan  Cw  50%.  Persamaan  1 digunakan  untuk  menghitung  konsentrasi padatan (Cw):
100% lumpur padat pelarut lumpur padat m Cw x m m   (1)
Bilangan Reynolds (Re) dihitung meng- gunakan Persamaan 2 [Khlaifat, 2009].
2 ' Re n n m h D v     (2)
Pengambilan  data  dilakukan  setelah dipastikan semua alat (ukur) telah berfungsi sebagaimana  mestinya,  dan  telah  dilakukan kalibrasi,  termasuk  tidak  ada  kebocoran fluida  dalam  sistem,  bebas  getaran  dan sebagainya.  Selanjutnya  dilaksanakan  peng- ambilan,  pengolahan  dan  analisa  data,  serta pembuatan  grafik.kecepatan  dan  koefisien gesek,  perhitungan  Bilangan  Reynolds, perhitungan pressure drop dan massa jenis.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah rangkaian alat penelitian selesai dirakit  maka  dilakukan  pengambilan  dan pengolahan  data.  Pengambilan  data  pertama
kali dilakukan untuk fluida air (Cw 0%). Air adalah  fluida  standard  yang  banyak  diguna- kan  sebagai  bahan  acuan  atau  referensi. Hasil  pengolahan  data  baik  untuk  air maupun  untuk  lumpur  dapat  dilihat  pada Gambar  3.  Pada  gambar  tersebut  diplot hubungan  antara  faktor  gesekan  (friction factors)  terhadap  Bilangan  Reynolds.  Seba- gai  acuan  untuk  melihat posisi  data  baik  air maupun  lumpur  diplot  juga  masing-masing garis  yang  mewakili  Persamaan  Darcy- Weisbach  dan  Persamaan  Blassius.  Kedua persamaan  ini  masing-masing  menunjukkan posisi  dan  acuan  untuk  kecepatan  aliran rendah (laminar) dan kecepatan aliran tinggi (kondisi turbulent).
Pada  Gambar  3  dapat  dilihat  untuk fluida  uji  air  konsentrasi  kepadatan  (Cw  0 %)    hubungan  antara  faktor  gesekan  dan Bilangan  Reynolds  terlihat  berimpit  dengan persamaan  garis  Darcy  dan  juga  berimpit dengan  persamaan  garis  Blassius.  Terlihat terjadi  kondisi  transisi  pada  saat  bukaan katup  ditambah  dimana  kecepatan  aliran/
bilangan  Reynolds  diatas  2000  sampai menjelang  4000.  Saat  Bilangan  Reynolds mendekati  angka  10000,  faktor  gesekan kembali  berimpit  dengan  Persamaan  garis Blassius  dan  faktor  gesekan  mengalami kecenderungan turun seiring dengan semakin naiknya bilangan Reynolds.
0.01 0.1 1 1000 10000 100000 Fa kt o r G es ek a n ( f) Bilangan Reynolds (Re) cw=0% Cw=25% Cw=50 % Darcy Eq. Blassius  Eq.
Gambar. 3  Hubungan antara faktor gesekan terhadap Bilangan Reynods
Konsentrasi  kepadatan  lumpur  masing- masing  untuk  kandungan  lumpur  Cw  25% dan    Cw  50%  faktor  gesekan  semua  berada diatas  faktor  gesekan  Darcy  dan  Blassius. Terlihat  semakin  tinggi  nilai  konsentrasi padatan  (Cw)  maka  faktor  gesekan  semakin tinggi  untuk  semua  kondisi  bilangan Reynolds.  Pada  kecepatan/Bilangan  rey- nolds  (Re)  dibawah  10000  dimana  saat bukaan  katup  30 o dan  40 o terlihat  faktor gesekan  jauh  diatas  faktor  gesekan  untuk fluida  air  (Cw=  0  %).  Hal  ini  bersesuaian dengan  teori  yang  dikemukakan  oleh Abulnaga  [Abulnaga,  2002]  bahwa  aliran lumpur  pada  saat  awal  mengalir  utamanya pada  kecepatan  rendah  dibawah  0,5  m/  det. Aliran  lumpur  sulit  mengalir  dibutuhkan daya  yang  besar  dan  cenderung  terjadi penyumbatan  dan  pengendapan  pada  pada sisi  inlet  pipa  dan  bagian  bawah  pipa cendrung  terjadi  pengendapan.  Saat  kece- patan  aliran  terus  dinaikkan  maka  faktor gesekan  baik  untuk    fluida  uji  Cw  25%
maupun untuk fluida uji Cw 50 % cendrung menurun  dan  terlihat  bersesuaian    dengan Garis  Persamaan  Blassius.  Faktor  gesekan aliran  lumpur  yaitu  kedua  kategori  fluida yang  diuji  tidak  ada  yang  menyentuh  garis Blassius,  semua  berada  di  atas  garis Blassius.  Hal  ini  dapat  terjadi  karena  fluida uji  dengan  kandungan  padatan  yang  lebih tinggi  memiliki  massa  jenis  yang  lebih tinggi  seiring  dengan  bertambahnya  kon- sentrasi  kepatan  (Cw).  Adapun  adanya kecenderungan untuk  mengalami  penurunan faktor gesekan saat kecepatan atau Bilangan Reynolds  yang  lebih  tinggi,  hal  ini diakibatkan  oleh  sifat  fluida  lumpur  (fluida Newtonian)  yang  mengalami  penurunan  ke- kentalan (viskositas) saat dialirkan utamanya pada kecepatan yang lebih tinggi.
Pada Gambar 4 terlihat grafik hubungan antara  kerugian  tekanan  terhadap  kecepatan aliran.  Kerugian  tekanan  yang  paling  tinggi terjadi  pada  fluida  uji  lumpur  dengan konsentrasi  kepadatan  Cw  50  %  dan  yang
paling rendah adalah kerugian tekanan  yang terjadi  pada  fluida  uji  air  (Cw  0  %).  Pada kecepatan aliran  rendah dibawah 0,5 m/ det, perbedaan  kerugian  tekanan  yang  terjadi baik  pada  fluida  uji  lumpur  (Cw  25  %) maupun  fluida  uji  lumpur  dengan  Cw  50% terlihat  signifikan.    Kondisi  dimana  terjadi daerah  signifikansi  perbedaan  tekan  antara lumpur  (mud  slurry)  dan  fluida  air  sebagai acuan,  sesuai  dengan  teori  yang  dikemu- kakan  oleh  Baha  Abulnaga,  bahwa  daerah tersebut  mengalami stationary  bad ,  dimana kandungan padatan lumpur cenderung terjadi  sumbatan  dan  pengendapan  dan menyebabkan suatu kerugian tekanan ( pressure drop ) yang signifikan.
Saat  kecepatan  aliran  terus  dinaikkan, dan berada  di atas kecepatan aliran 1 m/det maka  kerugian  tekanan  terlihat  lebih cenderung mengikuti kerugian tekanan yang
terjadi  pada  fluida  air,  sampai  kecepatan tertinggi  yang  dicapai  pada  penelitian  ini sekitar  1,25  m/det.  Penurunan  tekanan  yang terjadi juga sangat bersesuaian dengan faktor gesekan  yang  terjadi  sebagaimana  telah terlihat  pada  Gambar  3.  Faktor  yang mempengaruhi  besarnya  kerugian  tekanan sebagaimana  dilihat  pada  Gambar  4  adalah konsentrasi  kepadatan.  Semakin  tinggi konsentrasi kepadatan memberikan kerugian tekanan  yang  lebih  tinggi,  pada  kecepatan aliran  dan  diameter  pipa  yang  sama. Kerugian  tekanan  dengan  fluida  uji  lumpur dengan konsentrasi kepadatan Cw 25 % dan Cw    50  %  untuk  pipa  uji  dengan  diameter 25,4  mm  pada  kecepatan  aliran  yang  dijaga homogenitasnya menghasilkan kerugian tekanan  yang  minimum  pada  kecepatan aliran 0,5 m/det sampai dengan 0,65 m/det.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 K e ru gi an t e kan an (Pa) kecepatan aliran  (m/det) P  vs  V , D = 1" (25,4 mm) Cw = 50 % Cw = 25 % Cw = 0 %

## Gambar 4. Hubungan antara kerugian tekanan terhadap kecepatan aliran SIMPULAN
Kerugian tekanan (presure drop)  aliran lumpur  pada  konsentrasi  kepadatan  lumpur Cw  =  25  %    dan  Cw  =  50  %  mencapai kondisi  minimum  pada  kecepatan  aliran  0,5 m/det  sampai  0,6  m/det.  Faktor  gesekan ( friction factors ) dengan fluida uji air (Cw = 0%)  bersesuaian  dengan  faktor  gesekan  (f) baik  untuk  persamaan  Darcy  maupun Persamaan Blassius.
Pada  kecepatan  aliran  rendah  yakni dibawah  0,5  m/det,  kerugian  tekanan  yang terjadi terlihat lebih  signifikan  perbedaan
penurunan  tekanannya,  antara  fluida  uji  air terhadap  fluida  uji  yang  mengandung konsentrasi kepadatan lumpur Cw 25 % dan Cw  50 %.

## Notasi
P Tekanan [Pa]  kecepatan fluida [m/det] Cw Konsentrasi Kepadatan lumpur  (%) m Massa (kg) Re Reynolds Number (-) Di diameter dalam (mm)
f Faktor gesekan (-) µ Viskositas (Pa. det)

## DAFTAR PUSTAKA
[Abulnaga, 2002] Abulnaga, B.E, .2002,
Slurry  Handbook”,  McGraw-Hill. New York [Changhee, 2008]
Changhee, et.al. 2008. Hydraulic  Transport  of  Sand-Water
Mixture  in  Pipelines.  Journal  of Mechanical Science and Technology.
Vol.22. pp.2534-2541 [Plumlee, 2008]
Plumlee,  Geoffrey,  et al,. Prelimenary Analytical Result for a  Mud  sample  collected  from  the LUSI  Mud  vulcano,  Sidoarjo,  East
Java,  Indonesia.  USGS.  Science (2008).
[Fokeer, 2009] Fokeer.,  et.  al.  2009.  An Experimental Investigation of Pneumatic  Swirl  Flow  Induced  by  a Three Lobed Helical Pipe, International  Journal  of  Heat  and Fluid Flow , Vol.30 pp. 369-379 [Fokeer, 2010] Fokeer., et. al 2010.
Numerical  Modelling  of  Swirl  Flow Induced  by  a  Three  Helical  Pipe , Chemical Engineering and Processing . Vol. 49, pp. 536-546 [Khlaifat, 2009] Khlaifat, A,. Al-
Kamis  T,.  2009.  “  Dead  Sea  Mud Slurry  Flow  in  a  Horizontal  Pipe”
Jordan  Journal  of  Mechanical  and Industrial
Engineering.
Vol.3 no.3.pp.168-171