12/21/2012
Pendahuluan Pendahuluan Umum Tentang Pembakaran Pembakaran adalah proses/produksi aktivitas untuk menghasilkan panas. misalnya: - pemanas air - oven pada industri - motor pembakaran dalam - turbin gas dll 1.
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)
Contoh Suhu-Suhu Pembakaran Yang dapat dibakar
Suatu bahan dapat terbakar hanya Jika sebelumnya diletakkan di atas suhu minimal,disebut sebagai suhu pembakaran
a. Hidrogen b. CO c. Metana d. Hidrokarborant berat e. Karbon f. Karbon tanah g. Karbon kayu
Suhu pembakaran 550 300 650 600-800 700 325 360
1
12/21/2012
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 industri selalu mengandung C, H, S Reaksi kimia ditetapkan pada reaksi berikut:
Bahan bakar padat juga harus dibentuk dalam ukuran kecil sebelum dilakukan pembakaran. Kalau tidak, akan terjadi proses gasifikasi pembakaran segera.
Biasanya pembakaran karbon terjadi dalam 2 tahap
C H2
+ +
O2 ½ O2
CO2 H2O
+ 97.80 kcal + 69.0 kcal
C
+
½ O2
CO + 29.04 kcal
(a)
S
+
O2
SO2
+ 69.2 kcal
CO +
½ O2
CO2 + 68.20 kcal
(b)
panas hasil pembakaran
2
12/21/2012
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
3
12/21/2012
2. Bahan- Bahan Industri yang Dapat Dibakar 2.1 Bahan Bakar Padat: - Karbon - Kayu - Batu bara/arang - Spon hasil decomposisi bahan tumbuhan
3. Komposisi dan Kemampuan Panas Data fundamental dari suatu pembakaran adalah: - Komposisi kimia, yang menyusun bahan - Kemampuan panas, nilai energi
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
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.
4
12/21/2012
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
ho
0.038 0.042 kg kg 0.892
Oo
0.034 0.038 kg kg 0.892
0.026 no 0.029 kg kg 0.892 so
0.014 0.016 kg kg 0.892
Nilai perbandingan yang dapat dibakar maka
Co
C 0.780 kg 0.875 1 w d 1 0.058 0.05 kg
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)
5
12/21/2012
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.
Tabel berikut memberikan nilai kalor superiur dan interiur dari komponen yang ada
b.
Nilai kalor inferiur: nilai kalor bahan dimana panas kondensasi dari air tidak diperhitungkan (I).
Bahan yang Simbol/formula P (kcal/kg) I (kcal/kg) dapat dibakar kimia Carbon C 8100 8100 Sulfur Hidrogen Karbon mono Oksida methane Acetylene Ethylene Propene Butane benzena
I/P 1
S H CO
2220 3090 3066
2220 2610 3066
1 0.844 1
CH4 C2H2 C2H4 C3H8 C4H10 C6H6
9490 14210 14930 23670 30750 35140
8520 13730 14090 21740 28340 33690
0.898 0.966 0.934 0.918 0.921 0.941
6
12/21/2012
Bahan Bakar Cair/Solid 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.
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
Q (9h w) 597kcal
Misal suatu bahan bakar yang mengandung massa 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
Dengan demikian
P I Q I (9h w) 597 kcal / kg P I 5400h 600w (dalam praktek)
7
12/21/2012
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
Cm H p
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
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.
8
12/21/2012
Pembakaran sempurna dari metane mengikuti persamaan: CH4 +
2O2
CO2
+
2H2O
Dengan demikian pembakaran dari volume (CH4 +ΣCmhP) Nm3 dari hidrokarburan akan menghasilkan: (2CH4 + 2.45 ΣCmhP) Nm3 uap air
Biasanya untuk hidrokarburan berat dapat didekati dengan persamaan rata-rata empirik sbb: Cm H p 3.670 O2 2.45 CO2 2.45 H 2O
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 atau 18 kg
1 22.414
k mole
22.414
9
12/21/2012
Setiap 1 kg uap air membebaskan 597 kcal dengan cara kondensasi. 1Nm3
Uap air total yang ada dalam asap dari gas yang dapat terbakar akan membebaskan energi dengan kondensasi sebesar: 18 x597 22.414 ( w h 2CH 4 2.45 Cm hp ) 480 kcal
Q ( w h 2CH 4 2.45 Cm hp )
4. Hubungan antara Nilai Kalor Pada Tekanan dan Volume Tetap Hubungan antara panas reaksi pada tekanan tetap Qp dan pada volume tetap Qv adalah:
dan kita menuliskan: P = I + Q (dari persamaan awal)
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)
10
12/21/2012
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 C
O2
S
O2
CO2
1vol
1vol SO2
1vol H2 1vol
1vol
1 2O2 1 vol 2
H 2O
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
1vol
Kita mempunyai: 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.
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)
11
12/21/2012
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.
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)
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
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.
12
12/21/2012
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.
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
5.1.2 Bahan Bakar Padat Pada Kandungan
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
Hidrogen, Oksigen dan Minyak (Berat) Yang Tinggi Kita dapat menggunakan formula empiris dan Vondracek
I 7860 2804 1 Co C 21500h o 8 2500s 600w
w,c,s,h didefinisinya sama dengan sebelumnya. co: menunjukkan kandungan karbon dari bahan bakar murni artinya selain humiditi dan kadar abu.
13
12/21/2012
dimana Co
1 kg / kg 1 w d
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:
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
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
S + O2 CH4 + 2O2 C2H4+3O2 C2H2 + 5/2 O2
SO2 2CO2 2O2 2CO2
+ 69.2 kcal + 2H2O + 195.2 kcal + 2H2O + 319.6 kcal + 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 I
97.6 x1000 8130 kcal 12
14
12/21/2012
dimana: Sama untuk hidrogen, pembakaran 1 mol H2, menghasilkan 58.2 kcal. Pembakaran 1 Nm3 hidrogen akan menghasilkan
I
58.2x1000 2596 kcal 22.414
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
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
I
58,2 x1000 3.042kcal 22.414
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)
15
12/21/2012
Nilai kalor superiur (max) P = I + (9h + w) 597 = 7907+ (9 x 0.035 + 0.020) 597 = 8100 kcal/kg
Contoh 2
Nilai perbedaan nilai kalor superiur (max) pada p konstan dan v konstan Pp – Pv = 135 (h - 0/8) = 4.3 kcal/kg
Tentukan nilai kalor berdasarkan formula Vondracek:
Suatu bahan bakar cair mempunyai komposisi: C + h + O + n + s 0.852 0.126 0.010 0.004 0.008 = 1kg
I (7860 2804 1 0852 )0.852 21500(0.126
0.010 10
(2500 x0.008) 9550kcal / kg
16
12/21/2012
5.2 Penentuan Nilai Kalor Dengan Cara Percobaan
-
-
Penentuan nilai kalor bahan dengan cara perhitungan mempunyai beberapa kelemahan: - dalam praktek agak sulit diterapkan
-
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
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:
Untuk menghitung nilai kalor bahan yang diukur maka menggunakan persamaan sebagai berikut:
( M M 1 )(t2 t1 ) m (1600m1 3V ) m
Pv
17
12/21/2012
Kalorimeter Mahler 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)
Arus listrik
oksigen
Pembakaran filamen air Termokopel (0T)
Hitung:
Contoh : Dalam suatu percobaan terhadap suatu karbon diperoleh hasil: m = 1.02167 g m1= 0.02 g M = 2604 g M1= 698 g
O2
t1 = 22.454 0C t2 = 22.706 0C V = 7 cm3
kalor value (nilai kalor) dari karbon pada volume konstan (2604 698) (22.706 20.454) (0.02 x1600 3x7) 1.02167 7266 cal / gram atau kcal / kg
Pv
18
