Introduction:Traditional Process Scheme

Chemical Reactor

Pretreatment

Post treatment

Recycle

UtilityIncl. Waste Treatment

Raw Material

Product

Waste

By product

PROCESS

BAHAN BAKAR(Jenis dan Klasifikasinya)Hand Out Kuliah ITK-423 UTILITAS(Oleh : Antonius D.A. Feryanto)JURUSAN TEKNIK KIMIA - ITENAS

Tujuan Pembelajaran Khusus (TPK)Mahasiswa mampu menjelaskan jenis-jenis energi, klasifikasi, dan karakteristik bahan bakar komersial.

Industri dan EnergiINDUSTRI PROSES

Energi (listrik, mekanik, termal)

Bahan Bakar !!

Sumber energi terbesar yang digunakan oleh industri proses berasal dari fosil.

Fossil Fuel : bahan bakar yang bersumber dari bumi (tanah) sebagai hasil dari proses dekomposisi yang sangat lambat serta konversi kimia dari bahan-bahan organik

Contoh : - padatan (batubara)- cairan (minyak bumi)- gas (gas alam)

BATUBARACadangan sumber energi fosil terbesar di muka bumi.Berasal dari tumbuhan yang memfosil berjuta-juta tahun lampau.Tekanan, temperatur tinggi, dan anaerob terdekomposisi dan terkonversi menjadi tumbuhan lapuk kaya karbon BATUBARA.

TINGKATAN BATUBARABerdasarkan nilai kalor dan kandungan karbon (FC = Fixed carbon)AntrasitBituminSub-bituminLignit

ANTRASITMerupakan batubara dengan kualitas yang paling baik dengan kandungan karbon tetap (fixed carbon) 86 98% berat basis kering. Antrasit memiliki penampilan hitam mengkilat, keras, dan padat. Batubara jenis ini terbagi menjadi 3 sub-bagian berdasarkan kandungan karbon tetapnya, yakni : meta-antrasit dengan kandungan karbon lebih dari 98%, antrasit (92 98%), dan semi-antrasit (86 92%).BITUMINMerupakan jenis batubara yang paling banyak terdapat di bumi. Kandungan karbon tetapnya sebesar 46 86% berat sedangkan kandungan volatile matter-nya 2 40%. Nilai kalornya berkisar antara 11000 14000 Btu/lbm. Batubara bituminous dapat terbakar dengan mudah, apalagi jika berada dalam bentuk serpihan/serbuk. Batubara ini terbagi menjadi 5 sub-bagian yang masing-masing berbeda nilai kalor, kandungan fixed carbon, dan kandungan volatile matter. Kelima sub-bagian tersebut adalah : low-volatile, medium-volatile, high-volatile A, high volatile B, dan high-volatile C. Jenis high-volatile A hingga C dibedakan berdasarkan nilai kalornya.

SUB-BITUMINSub-bitumin terbagi menjadi 3 sub-bagian, yakni sub-bituminous A, B, dan C. Perbedaannya terletak pada nilai kalor masing-masing. Di mana sub-bagian A memiliki nilai kalor 10000 11500 Btu/lbm , sub-bagian B (9500 10500), sub-bagian C (8300 9500). Kandungan airnya cukup besar, yakni berkisar 15 30% tapi sering pula kandungan sulfurnya rendah. Berwarna cokelat kehitaman dan strukturnya homogen.LIGNITMerupakan batubara dengan kualitas paling rendah. Diambil dari Bahasa Latin lignum yang artinya kayu. Berwarna cokelat dan strukturnya laminar, serta serat-serta seperti kayu sering nampak di dalamnya. Kandungan airnya cukup tinggi hingga lebih dari 30%. Begitu pula dengan kandungan volatile matter-nya. Nilai kalor batubara jenis ini berkisar antara 6300 8300 Btu/lbm. Terbagi menjadi 2 sub-bagian yaitu lignit A dan B yang masing-masing dibedakan oleh nilai kalornya. Karena tingginya kandungan air dan volatil mater-nya, maka batubara lignit tidak ekonomis apabila diangkut untuk jarak yang cukup jauh.

Tabel Klasifikasi Batubara Berdasarkan Tingkatannya (ASTM D-388)CATATANaKlasifikasi ini tidak termasuk beberapa batubara, terutama jenis "nonbanded", dengan sifat-sifat fisik dan kimia yang tidak umum dan berada dalam batas Fixed Carbon atau nilai kalor dari kelas bitumin high volatility dan sub-bitumin. Semua batubara ini mengandung

ANALISIS BATUBARAProximate Analysis (Analisis Proksimasi)

- Fixed Carbon (FC) unsur karbon yang terkandung dalam batubara. Penentuan FC ini diperkirakan dengan menganggap selisih antara berat sampel (contoh analisis) dengan penjumlahan kadar VM (Volatile Matter), M (Moisture), dan A (Ash).- Volatile Matter (VM), merupakan bagian dari batubara (selain uap air) yang apabila sampel batubara dipanaskan tanpa oksigen (menurut ASTM D-3175, temperaturnya 1750 oF selama 7 menit) maka bahan tersebut akan hilang/lepas. VM sendiri terdiri atas hidrokarbon atau gas lain yang dihasilkan selama proses dekompisisi.- Moisture (M), penentuan nilai ini dilakukan dengan pengeringan sampel dalam oven pada suhu 230oF. Hal ini tentu saja tidak merepresentasikan seluruh kandungan air di dalam batubara, misalnya air yang terikat, air yang terhidrasi, atau air yang berada di permukaan batubara.- Ash (A), yakni garam-garam anorganik yang terdapat di dalam batubara. Kadar abu ini ditentukan berdasarkan banyaknya bahan tak terbakar (residu pembakaran) setelah batubara basis kering dibakar pada suhu 1380oF.- Sulfur (S), juga merupakan salah satu kandungan dalam batubara yang berkontribusi terhadap nilai kalor karena apabila terbakar akan menghasilkan kalor serta senyawa SO2. Senyawa ini apabila berikatan dengan air akan membentuk asam yang bersifat sangat korosif dan polutan bagi atmosfer. Sehingga sedapat mungkin dilakukan pengurangan kadar sulfur di dalam batubara.

ANALISIS BATUBARAUltimate Analysis (Analisis Ultimasi)Analisis yang kedua adalah analisis ultimasi yang merupakan serangkaian analisis laboratorium yang memuat sebuah laporan mengenai kandungan karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, dan sulfur di dalam batubara beserta nilai pembakaran tingginya (HHV). Kegunaan analisis ultimasi adalah untuk menentukan kebutuhan udara pembakaran pada sebuah sistem berbahan bakar batubara. Sehingga pada akhirnya dapat digunakan untuk mengukur sistem aliran bagi dapur pembakaran. Semua analisis ini dilaporkan dengan basis bebas kebasahan (free-moisture) dan bebas abu.

Heating Value (Nilai Kalor)Jumlah panas yang ditransfer ketika produk dari pembakaran sempurna dari bahan bakar didinginkan hingga mencapai suhu awal dari bahan bakar maupun udara pembakarnya (ASTM D-2015).Menunjukkan jumlah energi kimia yang terdapat dalam suatu massa atau volume bahan bakar .Dinyatakan dalam satuan Btu/lbm atau kJ/kg atau kal/kg yang ditentukan berdasarkan standar pengukuran menggunakan bomb calorimeter (ASTM D-2015)

JENIS NILAI KALOR1. Nilai pembakaran tinggi atau Higher Heating Value (HHV) atau Gross Heating Value. Penentuan ini nilai ini berdasarkan pada anggapan bahwa uap air yang dihasilkan pada proses pembakaran terkondensasi sehingga dihasilkan produk berupa air pada fasa cairnya.CxHy + O2 CO2(g) + H2O(l)

2. Nilai pembakaran rendah atau Lower Heating Value (LHV) atau Net Heating Value. Penentuan nilai ini berdasarkan pada anggapan bahwa air yang dihasilkan pada proses pembakaran masih berupa fasa uap.CxHy + O2 CO2(g) + H2O(g)

Perbedaan di antara keduanya tidak lain adalah nilai kalor laten atau panas penguapan air. Perbedaan antara keduanya diberikan pada perumusan berikut :M = moisture (kadar kebasahan) H2 = massa hidrogen per unit massa bahan bakar (dari analisis ultimasi)

Bilangan 2400 (kJ/kg) merupakan panas laten penguapan air pada 1 lb/in2abs (tekanan parsial kira-kira uap air di dalam gas buang)

Rumus Dulong untuk Memperkirakan Nilai Kalor Batubara

[ Btu / Lbm ]

[ kJ/kg ]

MINYAK BUMISumber energi yang cukup sempurnaMudah ditangani, disimpan, dan dibakarNilai kalornya konstanMerupakan biota-biota laut yang membusuk

Tabel Kelompok Hidrokarbon dalam Minyak

Sheet1

Grade/kelasKelompokKarakter penggumpalan

ANTRASIT1. Meta-antrasit98------2------tak menggumpal

2. Antrasit929828------

3. Semi-antrasit8692814------

BITUMIN78861422------

69782231------

---6931------

------------14000

------------1150013000

11500menggumpal

SUB-BITUMIN1. Sub-bitumin A------------1050011500tak menggumpal

2. Sub-bitumin B------------950010500

3. Sub-bitumin C------------83009500

LIGNIT1. Lignit A------------63008300tak menggumpal

2. Lignit B---------------6300

Kelompok hidrokarbonRumus UmumContoh senyawaStruktur

Parafinmetanarantai jenuh

etana

propana

butana

pentana

Olefinetilenrantai tak jenuh, 1 ikatan rangkap

propilen

butilen

Diolefinbutadienrantai tak jenuh, 2 ikatan rangkap

Naftensiklopentanacincin jenuh

sikloheksana

Aromatikbenzencincin tak jenuh

toluen

xilen

Sheet2

Sheet3

Tabel Karakteristik Rata-rata Bahan Bakar MinyakTugas : Mengapa Fuel Oil No. 4 TIDAK ADA ???

GAS ALAMMudah terbakar dan bercampur baik dengan udara.Terbakar dengan bersih dan menyisakan sedikit abu.Kandungan utama : gas metana (CH4), sekitar 90%.

Tabel Komposisi Gas Alam

Sheet1

Grade/kelasKelompokKarakter penggumpalan

ANTRASIT1. Meta-antrasit98------2------tak menggumpal

2. Antrasit929828------

3. Semi-antrasit8692814------

BITUMIN78861422------

69782231------

---6931------

------------14000

------------1150013000

11500menggumpal

SUB-BITUMIN1. Sub-bitumin A------------1050011500tak menggumpal

2. Sub-bitumin B------------950010500

3. Sub-bitumin C------------83009500

LIGNIT1. Lignit A------------63008300tak menggumpal

2. Lignit B---------------6300

Kelompok hidrokarbonRumus UmumContoh senyawaStruktur

Parafinmetanarantai jenuh

etana

propana

butana

pentana

Olefinetilenrantai tak jenuh, 1 ikatan rangkap

propilen

butilen

Diolefinbutadienrantai tak jenuh, 2 ikatan rangkap

Naftensiklopentanacincin jenuh

sikloheksana

Aromatikbenzencincin tak jenuh

toluen

xilen

Jenis bb minyakno. 1no. 2no. 4no. 5no. 6

Kandungan (%-berat)

C86,586,486,185,5585,7

13,212,711,911,710,5

0,20,20,480,70,92

S0,10,4 - 0,70,4 - 1,5max. 2max. 2,8

Air dan sedimentracetracemax. 0,5max. 1max. 2

Abutracetracetrace0,050,08

51,4653,9857,8759,4361,5

1,62,681550360

< 0< 0103065

AtmAtmmin. 25130200

1994019570189001865018260

KomponenBatas Komposisi (%)

87 - 96

1.8 - 5.1

0.1 - 1.5

0.01 - 0.3

0.01 - 0.3

0 - 0.14

0 - 0.04

0 - 0.06

1.3 - 5.6

0.1 - 1.0

0.01 - 0.1

0 - 0.02

Sheet2

Sheet3

Nilai Kalor Gas AlamSumber : http://en.wikipedia.org/wiki/Heating_value

Contoh lain Bahan Bakar GasGas Pabrik- Gas minyak bumi cair (Liquified Petroleum Gas / LPG), terdiri atas distilat ringan minyak bumi terutama propana dan butana. LPG inilah yang biasa kita kenal sebagai bahan bakar rumah tangga. Pengangkutan dan penyimpanan gas dilakukan pada tekanan 4 40 bar.- Gas air, adalah bahan bakar gas yang dihasilkan dengan mengalirkan uap dan udara bergantian melalui suatu lapisan kokas pijar sehingga timbul reaksi yang menghasilkan hidrogen dan karbonmonoksida.- Gas air karburasi, adalah gas air seperti di atas namun dalam prosesnya ditambahkan uap minyak ke dalam gas air sehingga menaikkan nilai pembakarannya.- Gas alam sintesis (Synthetic Natural Gas / SNG), merupakan bahan bakar gas hasil konversi senyawa hidrokarbon padat seperti batubara. Dengan kata lain, proses ini adalah hidrogenasi batubara sehingga diperoleh sejumlah senyawa hidrokarbon ringan, khususnya metana.- Gas produser, adalah bahan bakar gas yang terbentuk dengan cara membakar batubara grade rendah di dalam tanah dengan udara cukup. Temperatur yang tinggi memungkinkan pembebasan hidrogen dan sebagian karbon teroksidasi menjadi karbonmonoksida.

Contoh lain Bahan Bakar GasGas Hasil Sampingan Proses Lain- Gas dapur tinggi, adalah bahan bakar berkualitas rendah yang merupakan hasil samping industri baja. Dihasilkan dengan cara membakar batubara dengan udara yang tidak cukup. Komposisi gas dapur ini terutama adalah nitrogen, karbonmonoksida, dan karbondioksida. - Gas riol, adalah gas metana yang dihasilkan melalui proses fermentasi bahan-bahan organik.

LATIHAN SOALHitunglah analisis ultimasi dan proksimasi dengan basis begitu diterima (as received), taksiran nilai pembakaran rendah (LHV) dari nilai pembakaran tinggi (HHV) yang tercantum di bawah ini. Kemudian tentukan jenis/tingkatan batubara berdasarkan ASTM D-388.A (ash) = 8%M (moisture) = 39%Analisis proksimasi bebas abu, kering. VM = 54% S = 2,8% FC = 46%HHV = 28992 kJ/kg = 12435 Btu/lbmAnalisis ultimasi bebas abu, kering :C = 72,4% H2 = 4,7% O2 = 18,6% N2 = 1,5% S = 2,8%

JAWABAN LATIHAN SOALUntuk mengkonversi menjadi basis batubara begitu diterima (as-received), faktor koreksinya adalah (1 M A) = (1 0,39 0,08) = 0,53.

Sehingga analisis proksimasi menjadi :VM= 0,53 x 54 = 28,62% S = 0,53 x 2,8 = 1,48%FC= 0,53 x 46 = 24,38% HHV = 0,53 x 28992 = 15392 kJ/kgM= 39% HHV = 0,53 x 12453 = 6591 Btu/lbmA= 8%

Sedangkan analisis ultimasi menjadi :C= 0,53 x 72,4= 38,37%H2= 0,53 x 4,7= 2,49%O2= 0,53 x 18,6= 9,86%N2= 0,53 x 1,5= 0,8%S= 0,53 x 2,8= 1,48%M= 39%A= 8%

LHV = HHV 2400 (M + 9H2) = 15392 2400 (0,39 + 9 x 0,0249) = 13885 kJ/kg= 5957 Btu/lbm

Sedangkan harga perkiraan HHV berdasarkan rumus Dulong, adalah :

HHV = 14979 kJ/kg= 6440 Btu/lbmKlasifikasi batubara menurut standar ASTM.

Karena harga ini lebih kecil dari 69%, maka batubara tidak dapat dimasukkan ke dalam kelas FC dry mineral-matter-free basis.

Karena HHV mineral-matter-free basis adalah antara 6300 8300 Btu/lbm, maka batubara jenis ini dapat digolongkan ke dalam kelas LIGNIT-A

Soal 2.1 Analisis BatubaraTaksirlah analisis ultimasi begitu terbakar untuk batubara berikut ini, juga taksirlah persentase kesalahan yang terjadi dalam menaksir nilai pembakaran tingginya dengan rumus Dulon, hitung nilai pembakaran rendah (LHV), dan tentukan ranking batubara tersebut berdasarkan klasifikasi ASTM. Mahasiswa hendaklah mengerjakan 2 atau 3 dari bagian-bagian berikut:Luzerna County, Pa., batubara dengan M=2,0 dan A=6,0Coal Country, Okla., batubara dengan M=6,0 dan A=10,5Custer Country, Mont., batubara dengan M=28,5 dan A=9,0Stark Country, N.Dak., batubara dengan M=39,0 dan A=8,0Wyoming Country, W.Va., batubara dengan M=3,0 dan A=4,0Logan Country, Ark., batubara dengan M=3,0 dan A=9,0

Soal 2.2 Analisis BatubaraSuatu sampel batubara beratnya 25 kg saat dikumpulkan. Ketika sampel dites ternyata beratnya turun menjadi 24,6 kg akibat kehilangan kebasahan. Sebuah analisis proksimasi kemudian dilakukan sehingga diperoleh hasil sebagai berikut: VM = 35,7; FC = 41,5; M =11,6; A = 11,2 dan S = 4,0 dan HHV = 25720 kJ/kg. Hitung analisis batubara proximate as collected. Tentukan klasifikasi ASTM batubara tersebut. Buat perkiraan empiris analisis ultimasi batubara dengan metode yang diberikan pada Lampiran D.

Soal 2.3 Analisis BatubaraSuatu sampel batubara as received 14 kg. Setelah pengering-anginan beratnya 13,6 kg. Setelah dikeringkan dengan oven, suatu sampel batubara hasil pengering-anginan yang semula beratnya 2,4 gram turun menjadi 2,34 gram. Hitung persen kebasahan total dalam batubara as received.

Soal 2.4 Analisis BatubaraSebuah sampel 1,2 g batubara hasil pengering-anginan dari soal 2.3 dibakar dalam sebuah bom kalorimeter. Kenaikan termperatur dari 2000 g air serta logam kalorimeter adalah 3,62oC, diantaranya 0,20oC adalah akibat akibat kawat sekering dan pembentukan asam. Kapasitas panas setara air dari kalorimeter tersebut adalah 450 g. Tentuakn nilai pembakaran tinggi batubara as received dalam kJ/kg dan dalam Btu/lbm.

Soal 2.5 BBMSuatu bahan bakar minyak pada suhu 20oC mempunyai specific gravity 32 oAPI. Hitung energi tersebut dalam Btu/gal serta nilai pembakaran tingginya dalam kJ/kg. Hitunglah besaran-besaran yang sama pada 60oC, bila

T dalam oC

Soal 2.6 BBMSuatu bahan bakar minyak mempunyai specific gravity 36 oAPI, sedangkan bahan bakar minyak no. 5 mempunyai specific gravity 18 oAPI. Bandingkan nilai pembakaran kedua bbm tersebut dalam kJ/kg dan dalam Btu/gal.

Soal 2.7 & 2.8 Harga BBM2.7 Jika harga bbm No. 2 adalah $2,80 per MMBtu, taksirlah harga semua bbm yang tersedia dalam sen dollar per gallon dan dalam sen dollar per Btu2.8 Jika harga bbm No. 2 sekarang adalah 39,9 sen dollar per gallon, taksirlah harga semua bbm yang tersedia dalam sen dollar per gallon dan dalam sen dollar per Btu

Soal 2.9 BBGSebuah tangki penyimpanan gas yang mempunyai volume 25.000 cuft berisi gas dengan tekanan 2 bar dan temperatur 10oC. Nilai pembakaran tinggi gas itu adalah 22.100 kJ/m3 pada 20oC dan 1 bar. Hitung jumlah therms dalam tangki penyimpanan gas tersebut.

1 therm = 100.000 Btu

Soal 2.10 BBGHitunglah nilai pembakaran tinggi gas alam dari Baron Country, Kentucky pada tekanan 3,3 bar dan temperatur 30oC dalam kJ/kg dan dalam Btu/cuft. Hitung ukuran tangki penyimpanan dalam m3 yang dibutuhkan untuk menampung 1000 therm energi.

HHV = 43,11 kJ/L (1 atm, 20oC)Komposisi (%v): 75% CH4, 24%C2H6, 1% N2

Soal 2.11 BBGHitunglah nilai pembakaran tinggi gas alam dari Missouri dalam kJ/kg dan dalam Btu/cuft. Jika gas tersebut disuplai pada tekanan 2,5 bar dan temperatur 15oC Hitung ukuran tangki penyimpanan dalam cuft yang dibutuhkan untuk menampung 1000 therm energi.Juga hitunglah fraksi massa dari setiap elemen dalam gas itu.

HHV = 35,31 kJ/L (1 atm, 20oC)Komposisi (%v): 84,1% CH4, 6,7%C2H6, 8,4% N2, 0,84%CO2

Soal 2.12 & 2.13 BBG2.12 Ulangi soal 2.11 untuk gas produser dengan komposisi (%v): 3,78% CH4, 0,1%C2H6, 4,8%CO2 11,68%H2, 24,4% CO, 0,6%O2, dan 54,64% N22.13 Ulangi soal 2.11 untuk carbureted water gas dengan komposisi (%v): 15% CH4, 13%C2H4, 34% CO, 35%H2 2% N2 dan 1%CO2

HHV:CH4: 55.529 kJ/kgH2 : 142.097 kJ/kgC2H4 : 50.322 kJ/kgCO:10.100 kJ/kgC2H6 : 51.290 kJ/kg