Bahan Bakar dan Pembakaran

PRASWASTI PDK WULAN

Disampaikan pada Pelatihan Dasar-Dasar Pembakaran

Depok, 7 Mei 2008

Definisi

Bahan bakar adalah bahan yang apabila dibakar dapat meneruskan proses pembakaran dengan sendirinya, disertai pengeluaran kalor.Bahan bakar dapat terbakar dengan sendirinya karena:

kalor dari sumber kalor < kalor yang dihasilkan dari proses pembakaran.

Macam Bahan BakarBahan bakar organik, terdiri dari:- Bahan bakar fosil, misal: batubara, minyak bumi, gas bumi.- Sisa tumbuhan, minyak nabati, minyak hewan.

Bahan bakar nuklir, misal: Uranium, Plutonium.Kalor dihasilkan dari reaksi rantai penguraian atom-atom melalui peristiwa radioaktif.

Bahan bakar organik tersusun dari unsur-unsur C, H, O, N, S, P dan lain-lain dalam jumlah kecil, sedang yang berperan sebagai bahan bakar adalah: C, H, S.

Macam Bahan Bakar (lanjutan….)

Berdasarkan wujudnya, bahan bakar dibagi:bahan bakar padat,bahan bakar cair,bahan bakar gas.

Berdasarkan proses terbentuknya, dibagi:bahan bakar alamiah,bahan bakar non-alamiah.

PembakaranPembakaran ialah reaksi kimia yang cepat antaraoksigen dan bahan bakar, disertai keluarnya kalor. Proses pembakaran = reaksi antara bahan bakar danoksigen, diikuti cahaya dan timbul kalor. Oksigenyang dipakai biasanya dari udara. Udara terdiri dari: 79% N2 + 21% O2.

Catatan: Untuk komposisi gas, yang dimaksud adalahkomposisi volum atau komposisi mol.Untuk bahan padat dan cair, yang dimaksudkomposisi adalah komposisi berat.

Pembakaran (lanjutan…)Pembakaran sempurna = complete combustion terjadi kalau semua unsur C, H dan S yang terkandung dalam bahan bakar bereaksi membentuk CO2, H2O dan SO2. Pembakaran sempurna dapat dicapai dengan:

pencampuran antara bahan bakar dan oksidator tepat/baik, dengan rasio tepat. Pencampuran yang baik terjadi kalau berlangsung secara turbulen.

Pembakaran sempurna = perfect combustion, yaitu “complete combustion” yang jumlahbahan bakar dan oksidatornya (oksigen atau udara) stoikiometris.

Campuran stoikiometris: kalau jumlah oksigen dalam campuran tepat untukbereaksi dengan C, H dan S membentuk CO2, H2O dan SO2.

Pembakaran spontan = spontaneous combustion terjadi jika zat/bahan mengalamioksidasi perlahan-lahan, kalor yang dihasilkan tidak dilepas, sehingga suhu bahan naiksecara perlahan juga sampai suhu mencapai titik bakarnya (ignition point), maka bahanterbakar dan menyala.

Pembakaran parsial = incomplete combustion terjadi jika proses pembakaran bahanbakar menghasilkan “intermediate combustion product” seperti CO, H2, aldehid, disampingCO2 dan H2O. Kalau oksidatornya udara, gas hasil pembakaran juga mengandung N2.

Pembakaran parsial dapat terjadi antara lain karena:pasokan oksidatornya terbatas atau kurang dari jumlah yang diperlukan,nyala ditiup/diembus,nyala didinginkan dengan dikenai benda/permukaan dingin.

Komposisi

Bahan bakar padat tersusun dari:Komponen yang dapat terbakar, yaitu komponen yang mengandung: C, H, S, yaitu unsur-unsur yang bila terbakarmembentuk gas, disebut sebagai “bahan dapat terbakar yang membentuk gas” atau “BTG” atau “VCM”.Reaksinya: C + O2 CO2 / CO

H + O2 H2OS + O2 SO2 / SO3

Komponen yang bila terbakar tidak membentuk gas, yaitu“karbon tetap” atau “KT” atau “FC” (fixed carbon).Komponen yang tidak dapat terbakar, yaitu O, N, bahan mineral atau abu dan H2O.

Analisis Bahan Bakar Padat( khususnya batubara )

menurut analisis pendekatan (proximate analysis):airabubahan yang dapat terbakar (combustible matter) = BDT; hasilpembakarannya: gas dan fixed carbonfixed carbon

menurut analisis tuntas (ultimate analysis): komposisi unsur-unsur C, H, O, N, S, abu dan air.Air yang terkandung:

- air dari kelembaban (menempel secara mekanik)- air senyawa (air yang dapat terbentuk jika unsur O dan H dalam

bahan bakar mempunyai perbandingan stoikiometris)

Bahan yang dapat terbakar (= BDT) terdiri dari:BTG (bahan yang bila terbakar menghasilkan gas dan uap air) = volatile combustible matter = VCM.KT (karbon tetap) = fixed carbon = FC.

Bahan bakar cairBahan bakar cair = campuran beberapa macam

senyawa hidrokarbon.

Bahan bakar cair tersusun dari:Senyawa-senyawa hidrokarbon cair, sedikit mengandung S, O dan N sebagai asosiasi dengan karbon dan hidrogen dari senyawa hidrokarbon tersebut, serta abu.

Minyak bumi:C5-C16parafin, naftena, olefin, aromatik.membentuk senyawa ikatan dengan S, O, N.

Bahan bakar gas

Bahan bakar gas = campuran atau tunggal senyawa yangmengandung C dan H, misal: CH4, C2H6, C2H4, C2H2, CO, H2, C3H8, C4H10.

Bahan bakar gas tersusun dari:Campuran senyawa-senyawa karbon dan hidrogen (yang mudah terbakar), dan gas-gas yang tidak terbakar.

Spesifikasi Dasar

Nilai kalor

Nilai kalor = heating value = calorific value

Higher heating value = HHV = gross heating value = GHV* semua air (yang terbentuk + yang sudah ada) berwujud cair

Lower heating Value = LHV = net heating value = NHVsemua air berwujud uap

HHV – LHV = kalor untuk mencairkan (mengembunkan) uap air yang terbentuk dari pembakaran.

HHV : bahan bakar + oksigen (pada 600C, 1 atm) produk (pada 600C, 1 atm) air yang mengembun

NHV : bahan bakar + oksigen (pada 600C, 1 atm) produk (pada 600C, 1 atm) air yang dihasilkan berwujud uap

Nilai kalor (lanjutan ….)Oksidasi: reaksi antara oksigen dan bahan yang dapat terbakar, berlangsung relatif pelan, tanpa timbul cahaya dan tanpa timbul kalor yang cepat, meskipun jumlah kalor yang dihasilkan seluruhnya cukup berarti.

Kalor Pembakaran: kalor yang dihasilkan dari pembakaran sempurna 1 satuan berat bahan bakar padat atau bahan bakar cair atau 1 satuanvolume bahan bakar gas pada kondisi baku.

Kondisi baku: tekanan 1 atm, suhu 250C atau 600F atau 00C.

Available heat = kalor guna = (kalor pembakaran) – (kalor untukmengubah suhu bahan bakar dan udara menjadi suhu baku T0) – (kaloruntuk mengubah suhu hasil pembakaran ke T0)

Kalor yang diperlukan = heat required = (kalor untuk mendapatkan kerja) + (kalor hilang dari dinding sistem pembakaran) + (kalor hilang karena radiasidari lubang-lubang sistem pembakaran) + (kalor untuk pemanasan awalsistem pembakaran). –untuk operasi batch-

Kalor yang diperlukan = kalor guna.

Tabel GHV dan NHV untuk Bahan Bakar Sederhana

Contoh 1:Campuran bahan bakar : C2H2 = 20 %, CO = 40 %, CO2 = 40 %.

Berapakah HHV/GHV dan LHV/NHV pada 60 oF

Jawab:a. Ambil data LHV dari tabel di atas untuk masing-masing gas:LHV = (0.2)(1426) + (0.4)(321) = 413.6 BTU/cuft3

= 413,6 x 379 BTU/lbmol = 156754,4 BTU/lbmol

Catatan : 1 lbmol gas ideal pada 60 oF, 30 inHg = 379 cuft

b. Ambil data HHV dari tabel sama untuk masing-masing gas :HHV = (0.2)(1477) + (0.4)(321) = 423.8 BTU/cuft3

= 160620,2 BTU/lbmol

CARA LAIN UNTUK HHV :Dari cara di atas diperoleh:LHV = (0.2)(1426) + (0.4)(321) = 413.6 BTU/cuft3

= 413,6 x 379 BTU/lbmol = 156754,4 BTU/lbmolReaksi :

2221

22225

22 2COOCO

OHCOOHC→+

+→+

Diketahui kalor penguapan air = ∆Hv.60 =1060 BTU/lb = 589 kal/gr= 19080 BTU/lbmol

Maka HHV = LHV + (0.2) ∆Hv.60

= 156754,4 + (0.2)(19080) = 160570,4 BTU/lbmol

= 423.69 BTU/cuft3

CARA LAIN UNTUK LHVPada cara di awal, ambil data HHV dari tabel sama untuk masing-

masing gas :HHV = (0.2)(1477) + (0.4)(321) = 423.8 BTU/cuft3

= 160620,2 BTU/lbmol

Maka LHV = HHV – (0.2) ∆Hv.60

= 160620,2 - (0.2)(19080) = 156804,2 BTU/lbmol= 413,73 BTU/cuft3

REAKSI PEMBAKARAN

Reaksi-reaksi pembakaran yang ditanganidinyatakan melalui persamaan kimia dalambentuk

Ketika menangani reaksi kimia maka akanterjadi konservasi massa sehingga massadari produk akan = massa dari reaktan, akantetapi jumlah mol dari produk dapat berbedadengan jumlah mol reaktan

produksipengoksidabakarbahanatau

produkreak

→+

→tan

CONTOH 2: Pembakaran tuntas antara hidrogen dengan oksigen

Koefisien-koefisien numerik di dalam persamaan di atas, yang terletak di depan simbol kimiauntuk memberikan jumlah elemen kimia yang sama pada kedua sisi persamaan, disebutsebagai koefisien stoikiometrik.

..tan

11 2221

2

sipengoksidaadalahOksigendanbakarbahanadalahHidrogenoksigendanhidrogenadalahreakmenjadiYang

OHOH →+

OHlbmolOlbmolHlbmolatau

OHkmolOkmolHkmol

2221

2

2221

2

11

11

→+

→+

Jumlah mol total pada sisi sebelah kiri dan kanan tidak sama. Tetapi karena massadikonservasi, maka massa total reaktan harus = massa total produk. Karena 1 mol H2 = 2 kg , ½ mol O2 =16 k dan 1 kmol H2O = 18 kg maka:

OHlbOlbHlbatau

OHkgOkgHkg

222

222

18162

18162

→+

→+

MODEL UDARA PEMBAKARAN

Oksigen dibutuhkan dalam setiap reaksi pembakaran. Oksigen murni dibutuhkan hanya dalamaplikasi khusus seperti pemotongan dan pengelasan. Kebanyakan dalam aplikasi pembakaran udaramenyediakan oksigen yang dibutuhkan dan untuk perhitungan pembakaran digunakan model sederhana sbb:

• Semua komponen udara selain oksigen digabung bersama dengan nitrogen. Oleh sebab itu udaradianggap terdiri dari 21 % O2 dan 79 % N2 dengan basis molar. Idealisasi rasio molar N2/O2 = 0.79/0.21 = 3.76. Jadi suplai pembakaran diberikan oleh udara, setiap mol O2 disertai 3,76 mol N2. Udara yang dimaksud adalah udara kering (tidak mengandung uap air). Jika udara lembab yang dipakai maka uap air yang terkandung harus diperhitungkan.

• Nitrogen yang terkandung di dalam udara untuk pembakaran diasumsikan tidak mengalami proseskimia (inert). Dengan catatan nitrogen dalam produk pembakaran mempunyai temperatur yang samadengan produk lainnya. Jika berbeda dan dicapai temperatur cukup tinggi maka akan terbentuk nitrikoksida dan nitrogen dioksida yang merupakan sisa-sisa oksida nitrogen yang terbentuk dipembuangan mesin pembakaran dan menjadi sumber polusi udara

Komposisi Udara

Contoh 3:

RASIO UDARA-BAHAN BAKAR

Dua parameter yang diperlukan untuk kuantifikasi bahan bakarudara dan udara di dalam sebuah proses pembakaran adalah:

Rasio udara – bahan bakar : rasio jumlah udara di dalamsebuah reaksi terhadap jumlah bahan bakar = mol udara / mol bahan bakar atau massa udara / massa bahan bakar.

Rasio bahan bakar – udara

massabasisdenganrasioAFdanmolarbasisbahanbakarudararasioAF

MMAFAF

atauM

Mbakarbahanmol

udaramol

MxbakarbahanmolMxudaramol

bakarbahanmassaudaramassa

bahanbakar

udara

bahanbakar

udara

bahabbakar

udara

=−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

=

UDARA TEORITIS

Jumlah udara teoritis adalah jumlah minimum udarayang memberikan oksigen yang cukup untukpembakaran tuntas terhadap semua karbon, hidrogen dan sulfur yang terkandung di dalam bahanbakar.

Produk yang dihasilkan untuk pembakaran tuntasdengan jumlah udara teoritis adalah : CO2, H2O, SO2dan N yang menyertai O2 di dalam air.

CONTOH 4Tentukanlah jumlah udara teoritis untuk pembakaran tuntas terhadap metana :

a,b,c,d merepresentasikan jumlah mol dari oksigen, karbondioksida, air dannitrogen. 3,76 mol N2 dianggap menyertai setiap mol oksigen. Dengan prinsipkonservasi massa terhadap karbon,hidrogen, oksigen dan nitrogen akandiperoleh:

C: b = 1H: 2c = 4O: 2b+c = 2aN: d = 3,76 a

Dengan menyelesaikan persamaan-persamaan tersebut, maka persamaan kimiasetimbang adalah :

( ) 222224 76,3 NdOHcCObNOaCH ++→++

( ) 222224 52,7276,32 NOHCONOCH ++→++

CONTOH 4 (lanjutan……)

Koefisien 2 di depan suku (O2 + 3,76 N2) adalah jumlah mol osigen didalam udara pembakaran per mol bahan bakar dan bukan jumlahudara.

Jumlah udara pembakaran adalah 2 mol oksigen + (2 x 3,76) mol nitrogen = 9,52 mol udara per mol bahan bakar.

Jadi rasio udara-bahan bakar dengan basis molar adalah 9,52.

Untuk menghitung rasio udara-bahan bakar dengan basis massa =

19,1704,1607,2852,9 =⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bahanbakar

udara

MMAFAF

JUMLAH UDARA DISUPLAIJumlah udara yang disuplai biasanya lebih besar atau

lebih kecil dari jumlah udara teoritis.

Jumlah udara aktual yang disuplai biasanya dinyatakandalam bentuk persentase udara teoritis. Contoh : udara teoritis 150 % berarti udara aktual yang disuplai adalah 1,5 x jumlah udara teoritis.

Jumlah udara yang disuplai juga bisa dinyatakansebagai persentase kelebihan atau persentasekekurangan udara. Jadi udara teoritis 150 % sebanding dengan kelebihan udara 50 %. Jika udarateoritis 80 % berarti sebanding dengan kekuranganudara 20 %.

RASIO EKIVALENSIRasio ekivalensi adalah rasio dari rasio aktual bahan bakar-udara

terhadap rasio bahan bakar-udara untuk pembakaran denganjumlah udara teoritis. Jika rasio ekivalensi < 1 : reaktanmembentuk campuran encer (lean) dan jika rasio ekivalensi > 1 : reaktan membentuk campuran kental (rich).

CONTOH 5Tentukanlah rasio udara-bahan bakar dengan basis molar dan massa untukpembakaran tuntas terhadap oktan C8H18 dengan (a) jumlah udara teoritis dan (b) udara teoritis 150 %.

Jawab:(a). Untuk pembakaran tuntas terhadap C8H18 dengan jumlah udara teoritis, produk

yang dihasilkan mengandung CO2, air, & nitrogen saja.

Konservasi massa terhadap C, H2, O2 dan N2 akan diperoleh :

C: b = 8H: 2c = 18O: 2b + c = 2aN: d = 3.76 a

Jika diselesaikan, a = 12.5; b = 8; c = 9; d = 47

( ) 22222188 76,3 dNOcHbCONOaHC ++→++

Contoh 5 (lanjutan 1……)Persamaan kimia setimbangnya adalah :

Rasio udara-bahan bakar dengan basis molar adalah:

Rasio udara-bahan bakar dengan basis massa adalah :

( ) 22222188 479876,35.12 NOHCONOHC ++→++

( ) ( ) ( )( )bahanbakarkmol

udarakmolAF 5.591

76.45.121

76.35.125.12==

+=

)()(1.15

)()(22.114

)()(97.28

)()(5.59

bahanbakarkmoludarakmol

bahanbakarkmolbahanbakarkg

udarakmoludarakg

bahanbakarkmoludarakmolAF =

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

CONTOH 5 (lanjutan 2…..)(b) Untuk air teoritis 150 %, persamaan kimia untuk pembakaran

tuntas memiliki bentuk

Dengan menerapkan konservasi massa akan diperoleh :

C: b = 8H: 2c = 18O: 2b + c +2e = (1.5)(12.5)(2)N: d = (1.5)(12.5)(3.76)

Maka , b = 8; c = 9; d = 70.5; e = 6.25, persamaan setimbang :

( )( ) 222222188 76.35.125.1 OeNdOHcCObNOHC +++→++

( )( ) 222222188 25.65.709876.375.18 ONOHCONOHC +++→++

Contoh 5 (lanjutan 3……..)Rasio udara-bahan bakar dengan basis molar adalah :

Dengan cara yang sama (a), basis massa, rasio udara-bahanbakar adalah 22.6 kg (udara) / kg (bahan bakar).

Catatan: jika pembakaran tuntas terjadi dengan kelebihan udara, oksigen akan muncul sebagai salah satu produk di sampingkarbondioksida, air dan nitrogen

( ) ( )( )bahanbakarkmol

udarakmolAF 25.891

76.475.18==