pendahuluan - blog.ub.ac.idblog.ub.ac.id/adampartner/files/2013/01/pembakaran.pdf · pembakaran...
TRANSCRIPT
11/13/2012
1
Pendahuluan
1. Pendahuluan Umum Tentang Pembakaran
Pembakaran adalah proses/produksi aktivitas
untuk menghasilkan panas.
misalnya:
- pemanas air
- oven pada industri
- motor pembakaran dalam
- turbin gas dll
Pembakaran adalah suatu reaksi kimia yang
terjadi antara 2 komponen yang menghasilkan panas dan
sinar/cahaya
Maka ada bahan yang dapat terbakar
Misal:
- metal dalam bentuk filamen dalam udara
- tepung misal gas chlore (Cl)
Suatu bahan dapat terbakar hanya
Jika sebelumnya diletakkan di atas suhu
minimal,disebut sebagai suhu pembakaran
Contoh Suhu-Suhu Pembakaran
Yang dapat dibakar Suhu pembakaran
a. Hidrogen 550
b. CO 300
c. Metana 650
d. Hidrokarborant berat 600-800
e. Karbon 700
f. Karbon tanah 325
g. Karbon kayu 360
Bahan bakar cair harus diubah bentuknya
menjadi bentuk kecil-kecil (halus)
memperluas kontak dengan oksigen,
sebelum ditempatkan dalam ruang yang
mempunyai suhu pembakaran/cukup tinggi
Bahan bakar padat juga harus dibentuk dalam
ukuran kecil sebelum dilakukan pembakaran.
Kalau tidak, akan terjadi proses gasifikasi
pembakaran segera.
11/13/2012
2
Bahan bakar industri selalu mengandung C, H, S
Reaksi kimia ditetapkan pada reaksi berikut:
C + O2 CO2 + 97.80 kcal
H2 + ½ O2 H2O + 69.0 kcal
S + O2 SO2 + 69.2 kcal
panas hasil pembakaran
Biasanya pembakaran karbon terjadi dalam 2
tahap
C + ½ O2 CO + 29.04 kcal (a)
CO + ½ O2 CO2 + 68.20 kcal (b)
Reaksi ke-a disebut sebagai reaksi tidak lengkap,
sedang reaksi
C + O2 CO2 + 97.80 (reaksi
lengkap)
Suhu hasil pembakaran bergantung pada:
1. Komposisi bahan kimia yang dibakar
2. Jumlah udara yang disertakan
3. Suhu udara
4. Suhu bahan pada saat pembakaran
Catatan: jumlah udara harus mendekati jumlah
teori
Kesimpulan
1. Pembakaran terjadi jika ada bahan yang
dapat dibakar.
2. Memerlukan oksigen
3. Menempatkan bahan yang dibakar di atas suhu pembakaran
4. Oksigen yang diperlukan > kebutuhan minimal
5. Udara pembakaran harus dicampur secara baik dengan bahan yang dibakar
Untuk mendapatkan pembakaran sempurna.
Jika tidak sempurna maka dalam hal solide ada
bahan yang tak terbakar
11/13/2012
3
2. Bahan- Bahan Industri yang Dapat Dibakar
2.1 Bahan Bakar Padat:
- Karbon
- Kayu
- Batu bara/arang
- Spon hasil decomposisi bahan tumbuhan
2.2 Bahan Bakar Cair:
- destilasi dari residu minyak
- destilasi dari bahan vegetal (kayu)
2.3 Bahan Bakar Gas
- Gas dari batu bara
- Gas natural CH4
- Gas butane/propane
3. Komposisi dan Kemampuan Panas
Data fundamental dari suatu pembakaran adalah:
- Komposisi kimia, yang menyusun bahan
- Kemampuan panas, nilai energi
4. Komposisi merupakan: perbandingan berbagai
komponen yang menyusunnya (bahan kimiawinya) dinyatakan dengan masa per satuan berat bahan. Untuk solide dan liquid dan persatuan volume untuk bahan bakar gas.
Contoh:
komposisi dari satuan carbon akan ditunjukkan
c + h + o + n + s + w + d kg/kg
0.78 0.038 0.034 0.026 0.014 0.058 0.050 = 1
Nilai perbandingan yang dapat dibakar maka
kg
kg
dw
CCo 875.0
05.0058.01
780.0
1
kgkgho 042.0892.0
038.0
kgkgOo 038.0892.0
034.0
kgkgno 029.0892.0
026.0
kgkgso 016.0892.0
014.0
11/13/2012
4
Dapat dibuktikan bahwa:
C0 + h0 + O0 + n0 + s0 = 1
B. Nilai Kalor
Besaran ini menunjukkan banyaknya panas
yang dilepaskan oleh suatu bahan pada
pembakaran lengkap untuk satu satuan massa
(untuk bahan bakar padat) atau untuk satu
satuan volume (untuk bahan bakar gas/cair)
Nilai kalor dapat ditentukan dengan 2 cara:
a. dari analisa kandungan kimianya
b. dengan percobaan
Karena ada kandungan humiditas dan air di
dalam bahan maka ada 2 macam nilai kalor
dalam arti sebenarnya:
a. Nilai kalor superiur: yang mana meliputi kalor dari hasil kondensasi pada 00C dari kandungan uap air yang tercampur dengan asap, dengan simbol P.
b. Nilai kalor inferiur: nilai kalor bahan dimana panas kondensasi dari air tidak diperhitungkan (I).
Tabel berikut memberikan nilai kalor superiur dan interiur dari komponen yang ada
Bahan yang dapat dibakar
Simbol/formula kimia
P (kcal/kg) I (kcal/kg) I/P
Carbon C 8100 8100 1
Sulfur S 2220 2220 1
Hidrogen H 3090 2610 0.844
Karbon mono CO 3066 3066 1
Oksida
methane CH4 9490 8520 0.898
Acetylene C2H2 14210 13730 0.966
Ethylene C2H4 14930 14090 0.934
Propene C3H8 23670 21740 0.918
Butane C4H10 30750 28340 0.921
benzena C6H6 35140 33690 0.941
Hubungan antara P dan I akan dipengaruhi oleh
kandungan air dari bahan. Semakin bahan
tersebut hygroskopis maka bahan tersebut akan
mempunyai perbedaan P dan I yang besar.
11/13/2012
5
Bahan Bakar Cair/Solid
Bila suatu bahan bakar yang mempunyai setiap
kg nya; w kg H2O dan h kg hydrogene.
1 kg H2 memberikan air sebanyak 9 kg H2O pada
pembakaran, dalam asap yang berasal dari 1 kg
bahan bakar (9 h + w) kg H2O
Tetapi setiap kg H2O membebaskan 597 kcal
pada waktu kondensasi, sehingga kondensasi
Uap air dalam asap yang berasal dari 1 kg
bahan bakar akan membebaskan
kcalwhQ 597)9(
Dengan demikian
kgkcalwhIQIP /597)9(
)(6005400 praktekdalamwhIP
Bahan Bakar Gas
Komposisi bahan bakar gas diberikan oleh
analisa, umumnya diekspresikan dalam volume
dari penyusun-penyusun gas yang dapat
terbakar/tidak.
Dalam hal ini kita hanya mengamati hidrogen
bebas dan bahan-bahan yang mengandung
hidrogen (air dan hidrokarburan).
Hidrokarburan disusun dari satu bagian oleh
methan dan bagian lain oleh hidrokarburan
yang lebih berat yang dituliskan dengan formula
pmHC
Dalam gas/asap hasil pembakaran sebanyak
1 Nm3 kita akan mendapatkan suatu volume total
air yang terdiri dari:
a. air yang berada dalam gas, w Nm3
11/13/2012
6
b. air hasil dari pembakaran hidrogen bebas; dari persamaan yang ada, volume dari uap air ini adalah sama pada volume hidrogen yang membakar atau h Nm3.
c. air hasil pembakaran dari hidrogen yang berasal dari hidrokarburan atau pembakaran sempurna metane.
Pembakaran sempurna dari metane mengikuti
persamaan:
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Biasanya untuk hidrokarburan berat dapat
didekati dengan persamaan rata-rata
empirik sbb:
OHCOOHC pm 222 45.245.2670.3
Dengan demikian pembakaran dari volume
(CH4 +ΣCmhP) Nm3 dari hidrokarburan akan
menghasilkan:
(2CH4 + 2.45 ΣCmhP) Nm3 uap air
Total untuk 1 Nm3 kita akan memperoleh suatu
Volume
(w + h + 2 CH4 + 2.45 ΣCmhP) Nm3 uap air
Tetapi 1 Nm3 uap air setara dengan k mole
atau kg 414.22
1
414.22
18
Setiap 1 kg uap air membebaskan 597 kcal
dengan cara kondensasi.
Uap air total yang ada dalam asap dari 1Nm3
gas yang dapat terbakar akan membebaskan
energi dengan kondensasi sebesar:
kcalhCCHhw
xhCCHhwQ
pm
pm
480)45.22(
414.22
59718)45.22(
4
4
11/13/2012
7
dan kita menuliskan:
P = I + Q (dari persamaan awal)
4. Hubungan antara Nilai Kalor Pada Tekanan
dan Volume Tetap
Hubungan antara panas reaksi pada
tekanan tetap Qp dan pada volume tetap Qv
adalah:
Qp = Qv + p (V1 - V2) = Qv + (N1 - N2) RT
Maka dapat dituliskan dalam nilai kalor
minimum (P)
Pp = Pv + (N1 - N2) RT
Bahan yang dibakar adalah diacukan pada
suhu 0 0C (273) 0K maka terme RT dapat
dituliskan sebagai berikut:
(N1 - N2) x 1.98 x 273 = 540 (N1 - N2)
dan
Pp = Pv + 540 (N1 - N2)
Air ada dalam gas pembakaran tetap pada
keadaan cair. Jadi volumenya tidak berubah,
hanya unsur-unsur C, H,S dan O yang terbakar
sedangkan N tidak terbakar. Sehingga
volvolvol
OHOH
volvol
SOOS
volvol
COOC
12
11
21
11
11
222
22
22
1 kg O2 yang mana dapat membakar 1/8 kg H2,
0 kg O2 yang terkandung dalam 1 kg bahan
bakar akan dapat membakar 0/8 kg H2 dan
memberikan/menghasilkan air.
Jadi tinggal hanya terbakar oleh udara (h-0/8)
kg hidrogen oleh 1 kg bahan bakar, massa
Hidrogen yang memerlukan massa oksigen 8 x
lebih besar; berarti 8 (h-o/8) kg oksigen atau
8 (h - 0) atau 0.25 (h - 0) kilomol oksigen. 32 8 8
Pembakaran hidrogen yang mana adalah
sama pada volume oksigen pembakar,
berarti bersesuaian pada (N1-N2) kilomole.
11/13/2012
8
Kita mempunyai:
N1 - N2 = 0.25 (h - 0/8)
Pp = Pv + 0.25 (h - 0/8) 540
Pp = Pv + 135 (h - 0/8)
dan
Ip = Iv – 135 (h + 0/8 + w/4.5)
5. Penentuan Nilai Kalor
Nilai kalor dari suatu yang dapat terbakar
ditentukan dengan:
a. dengan perhitungan (jika komposisinya diketahui)
b. dengan percobaan dengan peralatan kalorimeter.
5.1 Penentuan Dengan Perhitungan
Ada beberapa formula
5.1.1 Bahan Bakar Padat/Cair Dengan
Kandungan H dan O Rendah
Formula yang digunakan
I = 8100 C + 29000 (h - 0/8) + 2500 s – 600 w
Penetapan formula di atas sangat sederhana.
Nilai kalor dari unsur-unsur bahan bakar yang
mana diambil:
8100kcal/kg untuk karbon (C)
29000 kcal/kg untuk hidrogen (H)
2500 kcal/kg untuk sulfur (S)
Berat C kg karbon yang terkandung dalam 1 kg
bahan bakar akan menghasilkan 8100 C kal,
berat S kg sulfur memberikan 2500 S kcal.
Untuk hidrogen adalah sesuai dengan
menerangkan kebenaran elemen 29000 (h-0/8)
dalam persamaan di atas.
Jika bahan bakar mengandung oksigen bebas
(bukan oksigen yang diikat dalam air). Oksigen
tersebut tidak cukup untuk membakar semua
hidrogen, tetapi oksigen berperan sedikit dalam
pembakaran di dalam bagian bahan bakar
oksigen tersebut bergabung.
11/13/2012
9
Seperti menurut persamaan dalam pembakaran,
1 kg oksigen dapat membakar 1/8 kg hidrogen,
berat 0 kg oksigen yang mana membakar 0/8 kg
hidrogen sehingga hidrogen yang terbakar
dengan oksigen dari udara hanya tinggal (h-0/8)
kg hidrogen per kilogram bahan bakar yang akan
menghasilkan energi sebanyak 29000 (h-0/8)
kcal
Ekspresi (h-0/8) sering dikenal dengan hidrogen
yang dapat digunakan.
-600 w: menunjukan jumlah panas diperlukan untuk menguapkan w kg H2O yang terkandung pada 1 kg bahan bakar, dimana panas ini diambil dari panas yang dihasilkan dalam pembakaran
5.1.2 Bahan Bakar Padat Pada Kandungan Hidrogen, Oksigen dan Minyak (Berat) Yang Tinggi Kita dapat menggunakan formula empiris dan Vondracek w,c,s,h didefinisinya sama dengan sebelumnya. co: menunjukkan kandungan karbon dari bahan bakar murni artinya selain humiditi dan kadar abu.
wsohCCI o 600250082150012807860 4
dimana
d = kandungan kadar abu (kg/kg)
5.1.3 Bahan Bakar Gas
Jika a menunjukkan kandungan dari suatu dalam
suatu bahan bakar (Nm3/Nm3) dan I: nilai kalor
minimal (kcal/Nm3) sehingga untuk bahan bakar
gas nilai I gabungan dapat ditulis:
kgkgdw
Co /1
1
I = Σ a Ii kcal/Nm3
Untuk bakar gas yang berat (selain metane
(CH4) dapat dijadikan menjadi ΣCmHp yang
mana mempunyai nilai kalor = 17000 kcal/Nm3
Sehingga nilai I dapat ditulis:
I = 2580 h + 3050 CO+8530 CH4+17000 ΣCmHp
Contoh-contoh kalor yang dihasilkan dari reaksi
berikut:
C + O2 CO2 + 97.6 kcal
C + ½ O2 CO + 29.4 kcal
H2 + ½ O2 H2O + 69.0 kcal
CO+ ½ O2 CO2 + 68.2 kcal
11/13/2012
10
S + O2 SO2 + 69.2 kcal
CH4 + 2O2 2CO2 + 2H2O + 195.2 kcal
C2H4+3O2 2O2 + 2H2O + 319.6 kcal
C2H2 + 5/2 O2 2CO2 + H2O + 304.9 kcal
Kita melihat bahwa, untuk karbon (sebagai
contoh), 1 mole karbon melepaskan, dengan
pembakaran sempurna, sebanyak 97.6 kcal,
pembakaran 1 kg karbon akan menghasilkan
kcalx
I 813012
10006.97
Sama untuk hidrogen, pembakaran 1 mol H2,
menghasilkan 58.2 kcal. Pembakaran 1 Nm3
hidrogen akan menghasilkan
kcal2596414.22
1000x2.58I
dimana:
58.2 = 69.0 - (0.018 x 600) = 58.2
0.018 = massa molaire air (kg/mole)
Sama untuk CO, pembakaran 1 Nm3 akan
menghasilkan
kcalx
I 042.3414.22
10002,58
Penerapan: dari hasil analisa suatu anthracite (karbon yang dicampur minyak) didapat data sebagai berikut:
C + h + o + n + s + w + d
0.860 0.035 0.025 0.010 0.010 0.020 0.040 = 1
Nilai kalor minimalnya (I) menurut persamaan
yang ada:
I = (8100C) + 29000 (h - 0/8) + (2500 x s)
= 8100 (0.86) + 29000 (0.035 - 0.025/8)
= 7907 kcal+ (2500 x 0.01)
Nilai kalor superiur (max)
P = I + (9h + w) 597
= 7907+ (9 x 0.035 + 0.020) 597
= 8100 kcal/kg
11/13/2012
11
Nilai perbedaan nilai kalor superiur (max) pada p
konstan dan v konstan
Pp – Pv = 135 (h - 0/8)
= 4.3 kcal/kg
Contoh 2
Suatu bahan bakar cair mempunyai komposisi:
C + h + O + n + s
0.852 0.126 0.010 0.004 0.008 = 1kg
Tentukan nilai kalor berdasarkan formula
Vondracek:
kgkcal
x
I
/9550
)008.02500(
10
010.0126.0(21500852.0)085212807860( 4
5.2 Penentuan Nilai Kalor Dengan Cara
Percobaan
Penentuan nilai kalor bahan dengan cara
perhitungan mempunyai beberapa kelemahan:
- dalam praktek agak sulit diterapkan
- formula yang ada mengabaikan nilai kalor kombinasi dari setiap unsur yang ada (dan unsur sangat sulit untuk dideteksi)
- memerlukan komposisi lengkap
Sehingga penentuan nilai kalor bahan secara
total dapat dilakukan dengan cara langsung
secara percobaan, seperti dengan:
- bombe kalorimeter
- tipe Junkers
5.2.1 Untuk Bahan Bakar Padatan Atau Cairan
Alat yang digunakan adalah: bombe kalorimeter dari Mahler.
Secara skematis alat ini dapat ditunjukkan pada gambar
11/13/2012
12
Untuk menghitung nilai kalor bahan yang diukur
maka menggunakan persamaan sebagai berikut:
m
Vm
m
ttMMPv
)31600(
))((
1
121
Dimana
m = massa bahan yang diuji (g)
m1= masa spiral (elemen pemanas dari besi) (g)
M = masa air dalam kalorimeter (g)
t1 = suhu awal air (0C)
t2 = suhu akhir air (0C)
V = volume larutan soda caustik yang diperlukan
untuk menetralkan air dalam kalorimeter
(cm3)
M1 = massa kalorimeter (g)
Kalorimeter Mahler
air
oksigen
Pembakaran
filamen
Termokopel (0T)
Arus listrik O2
Contoh :
Dalam suatu percobaan terhadap suatu karbon
diperoleh hasil:
m = 1.02167 g t1 = 22.454 0C
m1= 0.02 g t2 = 22.706 0C
M = 2604 g V = 7 cm3
M1= 698 g
Hitung:
kalor value (nilai kalor) dari karbon pada
volume konstan
kgkcalataugramcal
xxPv
//7266
02167.1
)73160002.0()454.20706.22()6982604(