Pendahuluan 12/21/2012. Pembakaran adalah suatu reaksi kimia yang terjadi antara 2 komponen yang menghasilkan panas dan sinar/cahaya

Transkripsi

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 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 e. Karbon 700 f. Karbon tanah 35 g. Karbon kayu 360 1

2 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. Bahan bakar industri selalu mengandung C, H, S Reaksi kimia ditetapkan pada reaksi berikut: C + O CO kcal H + ½ O H O kcal Biasanya pembakaran karbon terjadi dalam tahap C + ½ O CO kcal (a) S + O SO kcal CO + ½ O CO kcal (b) panas hasil pembakaran

3 Reaksi ke-a disebut sebagai reaksi tidak lengkap, sedang reaksi C + O CO (reaksi lengkap) Suhu hasil pembakaran bergantung pada: 1. Komposisi bahan kimia yang dibakar. 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.. 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

4 . Bahan- Bahan Industri yang Dapat Dibakar.1 Bahan Bakar Padat: - Karbon - Kayu - Batu bara/arang - Spon hasil decomposisi bahan tumbuhan. Bahan Bakar Cair: - destilasi dari residu minyak - destilasi dari bahan vegetal (kayu).3 Bahan Bakar Gas - Gas dari batu bara - Gas natural CH 4 - 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. 4

5 Contoh: komposisi dari satuan carbon akan ditunjukkan c + h + o + n + s + w + d kg/kg = 1 Nilai perbandingan yang dapat dibakar maka Co C kg 0. 1 w d kg h o 0. 04kg kg O o kg kg n o 0. 09kg kg s o kg kg 0.89 Dapat dibuktikan bahwa: C 0 + h 0 + O 0 + n 0 + s 0 = 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

6 Nilai kalor dapat ditentukan dengan cara: a. dari analisa kandungan kimianya b. dengan percobaan Karena ada kandungan humiditas dan air di dalam bahan maka ada macam nilai kalor dalam arti sebenarnya: a. Nilai kalor superiur: yang mana meliputi kalor dari hasil kondensasi pada 0 0 C 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 dapat dibakar Simbol/formula kimia P (kcal/kg) I (kcal/kg) Carbon C Sulfur S Hidrogen H Karbon mono CO Oksida methane CH Acetylene C H Ethylene C H Propene C 3 H Butane C 4 H benzena C 6 H I/P 6

7 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. Misal suatu bahan bakar yang mengandung massa kg nya; w kg H O dan h kg hydrogene. 1 kg H memberikan air sebanyak 9 kg H O pada pembakaran, dalam asap yang berasal dari 1 kg bahan bakar (9 h + w) kg H O Tetapi setiap kg H O 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 Dengan demikian P I Q I ( 9h w) 597 kcal / kg P I 5400h 600w ( dalam praktek ) 7

8 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 C m H p Dalam gas/asap hasil pembakaran sebanyak 1 Nm 3 kita akan mendapatkan suatu volume total air yang terdiri dari: a. air yang berada dalam gas, w Nm 3 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 Nm 3. c. air hasil pembakaran dari hidrogen yang berasal dari hidrokarburan atau pembakaran sempurna metane. 8

9 Pembakaran sempurna dari metane mengikuti persamaan: CH 4 + O CO + H O Biasanya untuk hidrokarburan berat dapat didekati dengan persamaan rata-rata empirik sbb: C H O.45 CO. 45 H O m p Dengan demikian pembakaran dari volume (CH 4 +ΣC m h P ) Nm 3 dari hidrokarburan akan menghasilkan: Total untuk 1 Nm 3 kita akan memperoleh suatu Volume (w + h + CH ΣC m h P ) Nm3 uap air (CH ΣC m h P ) Nm 3 uap air Tetapi 1 Nm 3 uap air setara dengan atau kg k mole 9

10 Setiap 1 kg uap air membebaskan 597 kcal dengan cara kondensasi. Uap air total yang ada dalam asap dari 1Nm 3 gas yang dapat terbakar akan membebaskan energi dengan kondensasi sebesar: 18x597 Q ( w h CH 4.45 Cmhp ).414 ( w h CH.45 C h ) 480 kcal 4 dan kita menuliskan: P = I + Q (dari persamaan awal) m p 4. Hubungan antara Nilai Kalor Pada Tekanan dan Volume Tetap Hubungan antara panas reaksi pada tekanan tetap Q p dan pada volume tetap Q v adalah: Q p = Q v + p (V 1 - V ) = Q v + (N 1 - N ) RT Maka dapat dituliskan dalam nilai kalor minimum (P) P p = P v + (N 1 - N ) RT Bahan yang dibakar adalah diacukan pada suhu 0 0 C (73) 0 K maka terme RT dapat dituliskan sebagai berikut: dan (N 1 - N ) x 1.98 x 73 = 540 (N 1 - N ) P p = P v (N 1 - N ) 10

11 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 S H 1vol O 1vol O 1vol 1 O 1 vol CO 1vol SO 1vol H O 1vol 1 kg O yang mana dapat membakar 1/8 kg H, 0 kg O yang terkandung dalam 1 kg bahan bakar akan dapat membakar 0/8 kg H 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 0.5 (h - 0) kilomol oksigen Pembakaran hidrogen yang mana adalah sama pada volume oksigen pembakar, berarti bersesuaian pada (N 1 -N ) kilomole. Kita mempunyai: dan N 1 - N = 0.5 (h - 0/8) P p = P v (h - 0/8) 540 P p = P v (h - 0/8) I p = I v 135 (h + 0/8 + w/4.5) 11

12 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 Bahan Bakar Padat/Cair Dengan Kandungan H dan O Rendah Formula yang digunakan I = 8100 C (h - 0/8) s 600 w Penetapan formula di atas sangat sederhana. Nilai kalor dari unsur-unsur bahan bakar yang mana diambil: 8100kcal/kg untuk karbon (C) 9000 kcal/kg untuk hidrogen (H) 500 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 500 S kcal. Untuk hidrogen adalah sesuai dengan menerangkan kebenaran elemen 9000 (h-0/8) dalam persamaan di atas. 1

13 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 9000 (h-0/8) kcal Ekspresi (h-0/8) sering dikenal dengan hidrogen yang dapat digunakan w: menunjukan jumlah panas diperlukan untuk menguapkan w kg H O yang terkandung pada 1 kg bahan bakar, dimana panas ini diambil dari panas yang dihasilkan dalam pembakaran 5.1. Bahan Bakar Padat Pada Kandungan Hidrogen, Oksigen dan Minyak (Berat) Yang Tinggi Kita dapat menggunakan formula empiris dan Vondracek C C 1500 h o 8 500s w I o 600 w,c,s,h didefinisinya sama dengan sebelumnya. co: menunjukkan kandungan karbon dari bahan bakar murni artinya selain humiditi dan kadar abu. 13

14 dimana C 1 kg kg o 1 w d / I = Σ a I i kcal/nm 3 d = kandungan kadar abu (kg/kg) Bahan Bakar Gas Jika a menunjukkan kandungan dari suatu dalam suatu bahan bakar (Nm 3/ Nm 3 ) dan I: nilai kalor minimal (kcal/nm 3 ) sehingga untuk bahan bakar gas nilai I gabungan dapat ditulis: Untuk bakar gas yang berat (selain metane (CH 4 ) dapat dijadikan menjadi ΣC m H p yang mana mempunyai nilai kalor = kcal/nm 3 Sehingga nilai I dapat ditulis: I = 580 h CO+8530 CH ΣC m H p Contoh-contoh kalor yang dihasilkan dari reaksi berikut: C + O CO kcal C + ½ O CO kcal H + ½ O H O kcal CO+ ½ O CO kcal S + O SO kcal CH 4 + O CO + H O kcal C H 4 +3O O + H O kcal C H + 5/ O CO + H O 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 97.6x1000 I 8130 kcal 1 14

15 Sama untuk hidrogen, pembakaran 1 mol H, menghasilkan 58. kcal. Pembakaran 1 Nm 3 hidrogen akan menghasilkan 58.x1000 I 596 kcal.414 dimana: 58. = (0.018 x 600) = = massa molaire air (kg/mole) Sama untuk CO, pembakaran 1 Nm 3 akan menghasilkan 58,x1000 I 3. 04kcal.414 Penerapan: dari hasil analisa suatu anthracite (karbon yang dicampur minyak) didapat data sebagai berikut: C + h + o + n + s + w + d = 1 Nilai kalor minimalnya (I) menurut persamaan yang ada: I = (8100C) (h - 0/8) + (500 x s) = 8100 (0.86) ( /8) = 7907 kcal+ (500 x 0.01) 15

16 Nilai kalor superiur (max) P = I + (9h + w) 597 = (9 x ) 597 = 8100 kcal/kg Nilai perbedaan nilai kalor superiur (max) pada p konstan dan v konstan P p P v = 135 (h - 0/8) = 4.3 kcal/kg Contoh Suatu bahan bakar cair mempunyai komposisi: C + h + O + n + s = 1kg Tentukan nilai kalor berdasarkan formula Vondracek: I ( ) ( (500x0.008) 9550kcal / kg 16

17 5. 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..1 Untuk Bahan Bakar Padatan Atau Cairan Alat yang digunakan adalah: bombe kalorimeter dari Mahler. Secara skematis alat ini dapat ditunjukkan pada gambar Untuk menghitung nilai kalor bahan yang diukur maka menggunakan persamaan sebagai berikut: P v ( M M1)( t t1) m (1600m1 3V ) m 17

18 Dimana m = massa bahan yang diuji (g) m 1 = masa spiral (elemen pemanas dari besi) (g) M = masa air dalam kalorimeter (g) t 1 = suhu awal air ( 0 C) t = suhu akhir air ( 0 C) V = volume larutan soda caustik yang diperlukan untuk menetralkan air dalam kalorimeter (cm 3 ) M 1 = massa kalorimeter (g) Kalorimeter Mahler oksigen air O Arus listrik Pembakaran filamen Termokopel ( 0 T) Contoh : Dalam suatu percobaan terhadap suatu karbon diperoleh hasil: m = g m 1 = 0.0 g t 1 = C t = C M = 604 g V = 7 cm 3 M 1 = 698 g Hitung: kalor value (nilai kalor) dari karbon pada volume konstan P v ( ) ( ) (0.0x1600 3x7) cal / gram atau kcal / kg 18