PEMBAKARANHand Out Kuliah ITK-423 UTILITAS(Oleh : Antonius D.A. Feryanto)

JURUSAN TEKNIK KIMIA - ITENAS

Tujuan Pembelajaran Khusus (TPK)Mahasiswa mampu menjelaskan mekanisme penyediaan energi termal (pembakaran)

Konversi Energi KimiaSumber utama energi bahan bakar produksi energi termal dari energi kimia.Reaksi eksotermik menghasilkan energi/panas PEMBAKARAN !!Reaksi oksidasi 3 macam unsur dapt terbakar C, H, dan S menjadi CO2, H2O, dan SO2.

Pembakaran TeoritisASUMSI-ASUMSI :Pembakaran berlangsung sempurnaC, H, dan S terbakar seluruhnyaUdara mengadung 79%-mol nitrogen dan 21%-mol oksigen ATAU 76.8%-berat nitrogen dan 23.2%-berat oksigen.

Reaksi PembakaranPembakaran unsur C2C + O2 2 CO, DH = -110380 kJ/kml C2CO + O2 2CO2 , DH = 283180 kJ/kmol CPada reaksi di atas : - 2 kmol C (24.02 kg) bereaksi dengan 1 kmol O2 (32 kg) 2 kmol CO (56.02 kg).- 2 kmol CO (56.02 kg) bereaksi dengan 1 kmol O2 (32 kg) 2 kmol CO2 (88.02 kg)

64/24.02 = 2.66 kg O2 dibutuhkan untuk membakar sempurna 1 kg C.

Pembakaran unsur H2H2 + O2 2H2O , DH = 286.470 kJ/kmol H2Pada reaksi di atas :- 2 kmol H2 (4.032 kg) bereaksi dengan 1 kmol O2 (32 kg) 2 kmol H2O (36.032 kg).

32/4.032 = 7.94 kg O2 dibutuhkan untuk membakar sempurna 1 kg H2.

Pembakaran unsur SS + O2 SO2 , DH = 296.774 kJ/kmol SPada reaksi di atas :- 1 kmol S (32.06 kg) bereaksi dengan 1 kmol O2 (32 kg) 1 kmol SO2 (64.06 kg).

32/32.06 = 0.998 kg O2 dibutuhkan untuk membakar sempurna 1 kg S.

Perbandingan Udara Bahan Bakar TeoritisKebutuhan udara minimum untuk pembakaran sempurna.Dinyatakan dalam massa udara/massa bahan bakar atau Vol udara/Vol bahan bakar.Pendekatan = basis kering bahan bakar.

Perbandingan Udara Bahan Bakar TeoritisBahan bakar gas/cair lebih mudah dinyatakan dalam besaran molar.Contoh : C8H18 Zc = 8 , ZH = 18Atau 50% CH4 , 40% C2H6 , 5% H2S , dan 5% O2.maka, Zc = (50%*1)+(40%*2) = 1.3ZH = (50%*4)+(40%*6)+(5%*2) = 4.5ZS = (5%*1) = 0.05ZO = (5%*2) = 0.1

Contoh Soal :Analisis ultimasi sebuah sampel batubara diperoleh hasil sebagai berikut :83.1% C , 5.5% H2 , 7.4% O2 , 2.1% N2, dan 1.9% S.Tentukan perbandingan udara-bahan bakar teoritis jika kadar kebasahan (moisture) dan kadar abu berturut-turut 4% dan 5%.

Contoh soal :Hitunglah perbandingan udara-bahan bakar molar ketika membakar LPG yang tersusun dari 40% C3H8 dan 60% C4H10. Carilah juga perbandingan massa udara-bahan bakar untuk LPG tersebut.

Soal 3.1 Rasio Udara/bb TeoritikHitunglah perbandingan udara/bahan bakar teoritis dalam kilogram udara perkilogram bahan bakar untuk bahan bakar berikut:Batubara Schuykill Country, Pa. dengan M = 4,5% dan A=9,7%Batubara Pike Country, Ky dengan M = 2,5% dan A = 4,2% Batubara Morton Country, N.Dak., dengan M = 37,0% dan A = 4,2% BBM No. 2 dengan C = 87,2%, H = 12,5%, dan S = 0,3% BBM No. 5 dengan C = 87,85%, H = 11,25% dan S = 0,9% Gas alam Ohio A

Pembakaran AktualASUMSI-ASUMSI :Pembakaran berlangsung tidak sempurnaTerbentuk gas COTerdapat sisa karbon tak terbakarUdara mengadung 79%-mol nitrogen dan 21%-mol oksigen ATAU 76.8%-berat nitrogen dan 23.2%-berat oksigen.

5 hal yang perlu dilakukan untuk proses pembakaran yang baikMATTrM = Mixing Pencampuran murni reaktan dengan udaraA = Air Jumlah udara yang cukup.T = Temperature Temperatur yang cukupT = Time Waktu yang cukup untuk berlangsungnya reaksir = Kerapatan yang cukup untuk merambatkan nyala apiPaling mungkin dilakukan menyediakan kelebihan udara (EXCESS AIR)

Beberapa analisis untuk mengetahui efektivitas pembakaran Analisis ultimasi C, H2, O, N, SAnalisis flue gas / orsat CO, CO2, O2, N2Analisis sisa HHV sisa, C tak terbakar.

Komponen-komponen gas buang/flue gas/gas hasil pembakaran

BURNER

Bahan bakar

Udara

Gas buang

CO2COH2OO2N2SO2NOxHidroksilAldehid

ANALISIS GAS BUANGMenggunakan alat orsat

ANALISIS SISA (pembakaran batubara)Mengetahui jumlah C tak berbakarAsumsi - sisa pembakaran = Abu + C tak terbakar- jumlah abu (A) dalam sisa pembakaran sama dengan jumlah abu dalam batubaraBiasanya dinyakan dalam HHVsisaHHV Carbon = 32.778 kJ/kg C

Soal 3.2 Analisis AbuDalam sebuah ketel batubara serbuk, jumlah karbon tak terbakar harus dihitung secara terpisah dari analisis sisa ash pit dan dari fly ash yang membawa serbuk batubara dalam flue gas dan dikeluarkan dalam precipitator. Hitunglah kuantitas total karbon tak terbakar per kg batubara dari data berikut:Abu dalam bahan bakar (hasil analisis ultimate): 12,5%Sisa ash pit= 0,1 kg sisa perkg batubaraZat dapat nyala dalam sisa = 25%Zat dapat nyala dalam sisa precipitator= 40%

Perbandingan udara-bahan bakar aktual (batubara)%N2, %CO, dan % CO2 dari analisis orsat/gas buangNf kadar nitrogen dalam batubara (analisis ultimasi)Cb fraksi karbon yang terbakar (dari analisis sisa)

0.768 fraksi massa nitrogen dalam udara28.016 BM N212.01 BM Carbon

act,m,d = actual, mass, dry

Perbandingan udara-bahan bakar aktual (BBM atau BBG)%N2, %CO, dan % CO2 dari analisis orsat/gas buangZN mol atom N per mol bahan bakarZC mol atom C per mol bahan bakar

0.79 fraksi mol nitrogen dalam udara

act,mol,d = actual, molar, dry

Soal 3.3 Pembakaran AktualApabila batubara Westmoreland Indiana County, Pa. dengan M = 3,0% dan A = 8,5% dibakar dengan kelebihan udara 18%& Hitung perbandingan udara/bahan bakar aktual dan teoritis hasil analisis orsat.& Hitung energi panas netto yang dihasilkan perkt batubara yang dibakarAnalisis Ultimate:C = 87.6% H = 5,2% O = 3.3%N = 1.4% S = 2.5%HHV = 36355 kJ/kg

Contoh Soal :Pada pengujian sebuah ketel diperoleh data-data sebagai berikut :- Laju batubara yang dibakar = 5000 kg/jam- Nilai HHV bongkah sisa = 4916.7 kJ/kg- Analisis orsat gas buang = 0.25% CO, 10.7% CO2, 8.5% O2, dan sisanya N2 (dalam %-mol)- Analisis ultimasi batubara = 78.5% C, 5.1% H2, 7.6% O2, 2.3% N2, 6.5% S, 6% A, 11% M (dalam %-berat)Data-data lain = HHV Carbon = 32778 kJ/kgDari data-data di atas,a. Tentukan kebutuhan udara teoritis dan aktualnya.b. Hitung % kelebihan udara. c. Berapa laju emisi gas buang CO per jam? d. Tentukan laju alir gas buang total. e. Tentukan komposisi gas buang dalam %-mol.

(petunjuk = gas buang mengandung CO, CO2, N2, O2, SO2, dan H2O).

Contoh Soal :Komposisi gas alam diketahui sebagai berikut : (%-volume)CH4 89%, C2H6 6%, C3H8 1%, C4H10 0.8%, C5H12 0.5%, CO 1%, dan H2S 2%.Gas tersebut akan digunakan sebagai bahan bakar ketel uap dan menghasilkan gas buang dengan komposisi CO 1.5%, CO2 9.5%, O2 6.4%, dan sisanya N2 (dengan metode analisis orsat).

a. Tentukan reaksi-reaksi yang terjadi saat gas tersebut terbakar sempurnab. Tentukan HHV total gas alam di atas pada 3 atm, 30oC (dalam kJ/kg)c. Jika gas alam tersebut dibakar dengan laju 20 m3/jam, tentukan laju emisi gas polutan CO.d. Hitung %-udara berlebih.

Soal 3.4 Pembakaran AktualPada waktu menguji sebuah tungku, diperoleh data berikut: berat batubara yang dibakar perjam: 9958 kg berat abu perjam: 2920 kg; kg zat dapat dibakar dalam abu : 22,84% analisis ultimat batubara: C=60,31% H = 4,06% O=6,71% N=1,13% S = 5,23% dan abu 22,56%.Hasil analisis orsat gas buang: CO2 = 10,69%, O2 = 8,23%, dan CO = 0,23%Hitung:massa gas asap kering perkg batubara yang dibakarPersentase kelebihan udaraKoefisien pengenceranBerat total gas asap yang dihasilkan dalam kg perjamBerat karbonmonoksida yang dihasilkan dalam kg perjam

Soal 3.13 Pembakaran Aktual Suatu gas produser dengan komposisi molar berikut: CO = 21%, H2 = 31%, N2 = 48% dibakar dalam sebuah dapur. Analisis orsat gas baung menunjukkan hasil CO2 = 8,6%; O2 = 6,4%, dan CO = 0,2%.Hitunglah:Persen kelebihan udaraPerbandingan udara/bahan bakar aktual