Slide 1

Teknologi Pembakaran

1Bahan BakarBahan Bakar Cair: Minyak Bumi (Bensin, Minyak Diesel, dll) Minyak Nabati (Minyak Jarak, sawit, dll) Bahan Bakar Alkohol (Etanol, Metanol, dll) Bahan Bakar Padat: Kayu, Batu Bara, Kokas, dllBahan Bakar Gas: Natural Gas (Gas dari tambang minyak bumi dan batu bara) Manufactured Gas (Diproduksi dari kayu, batubara, minyak bumi, dll)2Unsur Utama dalam Minyak Bumi: Carbon 80 - 89 % Hydrogen 12 - 14 % Nitrogen 0,3 1,0 % Sulphur 0,3 3,0 % Oxygen 2,0 - 3,0 %

hydrocarbonBahan Bakar33 kelompok minyak mentah berdasar kandungan hydrocarbon :

Parraffinic : memiliki hydrocarbon aliphatic lebih dari 75% Napthenic : memiliki hydrocarbon napthenic lebih dari 70% Asphaltic : memiliki hydrocarbon aromatic lebih dari 60%

Kelompok utama Hydrocarbon dalam petroleum :

Normal paraffin Iso-Parraffin Olefin Napthene alicyclic Aromatic

aliphaticBahan Bakar4 Normal Paraffin Cn H2n+2Methane : C H4Ethane : C2 H6Propane : C3 H8Butane : C4 H10Pentane : C5 H12

H C C C C C H H H H H H H H H H Hn - PentaneH C C C C H H Hn - Butane H H H H H H normal = Tidak ada cabang dalam rantai karbonnya. Senyawanya relatif stabil. Memiliki spesific gravity yg rendah. Senyawa yang memiliki berat molekul ringan (methane, ethane, propane, dan butane) berbentuk gas pada tekanan dan suhu ruang. Senyawa yang memiliki berat molekul sedang (memiliki 516 atom karbon ) berbentuk cair pada tekanan dan suhu ruang. Dan senyawa yang lebih berat berbentuk solid. Titik nyala spontan relative rendah

Hexane : C6 H14 Heptane : C7 H16 Octane : C8 H18 Nonane : C9 H20 Decane : C10 H22

Kelompok Hidro Karbon5 Iso - Paraffin Cn H2n+23 ethylhexane (iso-octane)2,2,4 trimethyl Pentane (iso-octane) Sifat fisik dari iso-paraffin menyerupai sifat-2 pada normal paraffin.H C C C C C H H H H C H H H HH H C H H HH C H H HH C C C C C C H H H HH C H H H H H H H H H H C H H6 Olefin Monolefin : Cn H2nDiolefin : Cn H2n-2Ethene : C2 H4Propene : C3 H6Butene : C4 H8Pentene : C5 H10

Monolefin, 1-octene Memiliki rantai karbon lurus dengan satu atau lebih ikatan atom dobelMemiliki sifat thermodinamika yang hampir sama dengan normal paraffin. Memiliki tekanan uap yang relative lebih tinggi, tetapi panas jenis dan nilai entalpinya relativ lebih rendah. Termasuk hidrokarbon active. Memiliki karakteristik pembakaran yang bagus karena mudah teroksidasi dan terpolimerisasi. C = C C C C C C C H H H H H H H H H H H H H H H H C = C C C C = C C H H H H H H H H H H H H HDiolefin, 1,5-heptadiene7 Naptene Cn H2nCyclo-hexaneHHCCCCCCHHHHHHHHHHn-propyl - cyclohexane C C C H H H H H H HHHCCCCCCHHHHHHHHH Tidak terdapat dalam minyak ringan (light oil), biasanya terdapat dalam minyak berat (heavy oil).. 8 Aromatic : Hydrocarbon yang memiliki sebuah cincin benzene dalam structur molekulnya.Benzenen-propyl - benzeneCCCCCCHHHHHH C C C H H H H H H HCCCCCCHHHHH Cincin Bezene memiliki 6 karbon dengan ikatan atom single dan dobel yang berselang-seling. Aromatic yang salah satu atom hydrogennya diganti dg senyawa normal alkyl (methyl, ethyl, dll) disebut dengan senyawa alkylbenzene. Aromatic memiliki sifat thermodinamika yang hampir sama dengan napthene. Memiliki karakteristik pembakaran yg bagus dalam gasoline engine. Tetapi karena kandungan karbon yg tinggi, aromatic cenderung berasap. Jumlah aromatic dibatasi dalam minyak diesel dan kerosene.9

Sifat Bahan Bakar Minyak10

Sifat Bahan Bakar Minyak11 Natural GasNatural gas dari tambang minyak bumiKomponen utama berupa Methane. Sedikit prosentase berupa ethane, propane, butane, carbondioxide, nitrogen, dan hydrogen sulphide.Komposisi natural gas setelah sulfur, air dan minyak dihilangkan :Methane : 68-96 %Ethane : 3-30 %The Gross Caloric value : 9000 11.000 kcal/m3 (15oC, 76 cm Hg)Natural gas dari tambang batu bara (fire damp)Komposisi utama :Methane : 93-99 %Ethane : 3 %Karbonmonoksida : lebih dari 4 %Nitrogen & inert gas : kurang dari 6%Gas biasanya keluar secara perlahan dari tambang batubara. Ditambang dg bantuan ventilasi utk menghindari ledakan

12Gas Manufaktur

Liquefied Petroleum Gas (LPG)Diproduksi dari gas butane dan propane yg diperoleh dari proses kilang minyak bumi.

Butane dicairkan pada Temperature 21.1oC (70oF) dan Tekanan 2.1 kg/cm2 (30psi) Butane cair komersial biasanya mengandung :- 80% un-saturated & saturated C4 hidrokarbon- kurang dari 20% C3 hidrokarbon- kurang dari 2% C5 hidrokarbon Nilai kalor untuk LP Gas Butane sekitar 28.500 kcal/m3

Propane dicairkan pada Temperature 21.1oC (70oF) dan Tekanan 8.8 kg/cm2 (125psi). Propane cair komersial biasanya mengandung :- Lebih dari 80% saturated & un-saturated C3 hidrokarbon- kurang dari 5% C2 hidrokarbon- kurang dari 10% C4 hidrokarbon Nilai kalor untuk LP Gas Propane sekitar 22.700 kcal/m3 13Refinery Oil GasDiperoleh dari proses kilang minyak bumi, berupa gas hidrokarbon ringan dg sedikit kandungan hidrogen dan karbon monoksida. Coal Gas (Town Gas)Diproduksi dg proses karbonisasi batubara (penguraian bahan bakar padat tanpa udara), biasanya pada temperature sekitar 950 s/d 1350 oC.

Coke Oven GasDiproduksi dg proses karbonisasi batubara, biasanya pada temperature sekitar 600 s/d 1000 oC.

Bio GasDibuat dg proses fermentasi kotoran hewan atau manusia. Fermentasi terjadi dalam udara bebas pada ruang tertutup. Komposisi Bio Gas pada umumnya :- 60% CH4 - 30% CO2- 10% H2Gas tidak berbau, pembakaran bersih, api biru dan tidak berasap.

Wood Gas, Peat Gas, Blue Water Gas, Carbureted Water Gas, dll14 Tingkatan Batu BaraPeat(Gambut)LignitSub BituminousAnthraciteTingkat pendahulu dari pembentukan batu bara. Kadang dianggap bukan batu bara. Warna coklat Kadar air 30-45% Warna kehitaman Kadar air 17-20% kadar volatile matter 35-45% Panas rendah Mudah pecahBituminous Lebih keras dari sub bituminous kadar volatile matter masih tinggi Lebih keras dari bituminous Tidak berdebu dan tidak mengeluarkan asap kadar volatile matter rendahBahan Bakar15 Analisa Batu BaraAnalisa ProximateAnalisa untuk menentukan kadar air, bahan yang mudah menguap, kadar abu, kadar karbon tetap.

Kadar air (M) : ditentukan dg memanaskan sample (1g) dalam oven dengan suhu 104-110oC selama 1 jam. Pengurangan berat sample menunjukkan kandungan air.

Kadar bahan mudah menguap (volatile matter) (VM)ditentukan dg memanaskan sample batu bara kering dalam bejana tertutup selama 7 menit pada suhu 950oC. Berat yang hilang merupakan kadar volatile matter.

Kadar Abu (ash) (A)Membakar sample dalam dapur pada suhu 700-750oC.

Kadar KarbonTetap (Fix Carbon)ditentukan dg sisa dari jumlah bahan 1, 2, dan 3

FC = 100% - ( M % + VM % + A%)Sampleuji kadar airuji volatile matteruji kadar abuuji kadar karbon tetap16Analisa UltimateAnalisa untuk menentukan unsur-unsur dalam batu bara seperti karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulphur, dan abu dalam prosentase berat.

Kadar Karbon (C) : ditentukan dg membakar sample (0,2g) dalam lingkungan oksigen dan kemudian mengukur berat gas karbondioksida (CO2) yang terserap dalam larutan Potassium Hydroxida. Berat karbon C dapat dihitung dari berat CO2.

Kadar Hidrogen (H) Sama dengan penentuan kadar karbon, kadar hidrogen dapat ditentukan dengan mengukur berat uap air (H2O) yang terserap dalam tabung calcium chloride.

Kadar Abu (ash) (A) ditentukan sama dengan uji proximate.

Kadar Nitrogen (N2) ditentukan dg methode Kjeldahl.

Kadar Sulphur (S) ditentukan dg methode Eschka.

Kadar Oksigen (O2) ditentukan dari sisa prosentase 1,2,3,4, dan 5.

O2 = 100% - ( jumlah % C, H, N2, S, dan Abu)17

18

Tabel Nilai Kalor berbagai jenis batu bara19

20Termodinamika PembakaranPembakaran Reaksi kimia antara bahan bakar dan pengoksidasi (oksigen atau udara) yang menghasilkan panas dan cahaya

LightEnergi aktivasi21Reaksi Kimia PembakaranC + O2 CO2C + O2 COCO + O2 CO2H2 + O2 H2OS + O2 SO2C m Hn + (m+n/4)O2 mCO2 + n H2O

Pembakaran Stoikhiometri Pembakaran dimana semua atom dari pengoksidasi (oksigen atau udara) bereaksi secara kimia untuk menjadi produk sehingga tidak ada udara berlebih22Untuk perhitungan proses pembakaranN2 = 79%O2 = 21% Contoh Reaksi Pembakaran Hidrokarbon

Komposisi UdaraProsentase Volume (mol)Prosentase BeratBerat molekul/molOksigenNitrogenArgonKarbon dioksidaHidrogen

Udara kering20,9979,030,940,030,0123,1975,471,30,04032,0028,01639,94444,0032,016

28,967

23Contoh Perhitungan Udara Stoikhiometri

24

25

26Persen Udara Lebih dan Udara TeoritisUdara Lebih

Udara Teoritis = 100% + persen udara lebih = (100 + ) % = udara teoritis 100%

Misal bahan bakar dibakar dengan 125% udara teoritis artinya bahan bakar tersebut dibakar dengan kelebihan udara sebesar 25%27Nitrogen dalam PembakaranNitrogen dapat mengurangi efisiensi pembakaran dengan cara menyerap panas dari reaksi pembakaranNitrogen juga mengurangi transfer panas pada permukaan alat penukar panas, Meningkatkan volum hasil samping pembakaran.Nitrogen ini juga dapat bergabung dengan oksigen (terutama pada suhu nyala yang tinggi) untuk menghasilkan oksida nitrogen (NOx), yang merupakan pencemar beracun.

Pembentukan CO dalam Pembakaran

28Analisa Orsat Analisa yang dilakukan untuk mengetahui komponen gas buang.

Yang dapat diketahui dari Analisa Orsat-Sempurna tidaknya suatu pembakaran.- Udara yang diperlukan dalam proses pembakaran.- Susunan bahan bakar (equivalen).

Analisa Orsat29Orsat Apparatus

Pada prinsipnya alat uji orsat terdiri atas 3 pipet, dimana pipet berisi zat-2 tertentu yang dapat menyerap gas-gas hasil pembakaran Caustic Potash (KOH) untuk menyerap CO2. Asam pirogalik untuk menyerap O2. Tembaga Chlorida (Cu Cl) untuk menyerap CO.N2 = 100 ( CO2 + CO + O2 )Untuk kandungan H2O ditentukan dengan prisnsip kesetimbangan massa pada persamaan reaksi kimia30Kelemahan alat ukur Orsat :Bukan instrumen yang teliti, kesalahan dapat terjadi akibat kebocoran.Kesalahan re-agensia (zat penyerap). Harus diganti setelah dipakai.SO2 tidak dapat terserap.H2 atau H2O tidak dapat terserap.31Contoh uji orsatAnalisa orsat hasil pembakaran suatu bahan bakar hidrokarbon menghasilkan :- CO211 %- CO 1 %- O2 3 % + Sub Total :15 %Prosentase N2 =======> N2 = 100 15 = 85% Hidrokarbon Equivalen (CnHm)..?

32Dengan dasar perhitungan 100 kmol gas buang

CnHm + x (O2 + 3,76 N2) a CO2 + b H2O + c CO + d O2 + e N2

x = ?c = 1a = 11d = 3b = ?e = 85Dasar kesetimbangan atom N2

e = 3,76 x =====>

33CnHm + x (O2 + 3,76 N2) a CO2 + b H2O + c CO + d O2 + e N2

Dasar kesetimbangan atom O2 x = a + b + c + d 22,6 = 11 + b + .1 + 3 b = 16,2Dasar kesetimbangan atom Cn = a + c = 11 + 1 = 12Dasar kesetimbangan atom Hm = 2 b = 32,4Jadi Hidrokarbon EquivalenC12H32,4

34 Reaksi Kimia C12H32,4 + 22,6 (O2 + 3,76N2) 11 CO2 + 16,2 H2O + CO + 3 O2 + 85 N2

Air Fuel Ratio (AFR)

35Contoh soal :

Bahan bakar minyak terdiri atas 90% C dan 10% H (prosentase berat) dibakar dengan udara berlebih 20%.Hasil pembakaran menunjukkan 80% atom C membentuk CO2 dan sisanya membentuk CO.

Tuliskan reaksi pembakarannya. Perkirakan susunan orsat dari gas hasil pembakaran.

3637Enthalpy of Formation

When a compound is formed from its elements (e.g., methane, CH4, from C and H2), heat transfer occurs. When heat is given off, the reaction is called exothermic. When heat is required, the reaction is called endothermic. Consider the following.

The reaction equation is

The conservation of energy for a steady-flow combustion process is

3738

A common reference state for the enthalpies of all reacting components is established as The enthalpy of the elements or their stable compounds is defined to be ZERO at 25oC (298 K) and 1 atm (or 0.1 MPa).

This heat transfer is called the enthalpy of formation for methane, . The superscript (o) implies the 1 atm pressure value and the subscript (f) implies 25oC data, is given in Table A-26.

During the formation of methane from the elements at 298 K, 0.1 MPa, heat is given off (an exothermic reaction) such that

3839The enthalpy of formation is tabulated for typical compounds. The enthalpy of formation of the elements in their stable form is taken as zero. The enthalpy of formation of the elements found naturally as diatomic elements, such as nitrogen, oxygen, and hydrogen, is defined to be zero. The enthalpies of formation for several combustion components are given in the following table.

SubstanceFormulaMkJ/kmolAir28.970OxygenO2320NitrogenN2280Carbon dioxideCO244-393,520Carbon monoxideCO28-110,530Water (vapor)H2Ovap18-241,820Water (liquid)H2Oliq18-285,830MethaneCH416-74,850AcetyleneC2H226+226,730EthaneC2H630-84,680PropaneC3H844-103,850ButaneC4H1058-126,150Octane (vapor)C8H18114-208,450DodecaneC12H26170-291,0103940The enthalpies are calculated relative to a common base or reference called the enthalpy of formation. The enthalpy of formation is the heat transfer required to form the compound from its elements at 25oC (77 F) or 298 K (537 R), 1 atm. The enthalpy at any other temperature is given as

Here the term is the enthalpy of any component at 298 K. The enthalpies at the temperatures T and 298 K can be found in Tables A-18 through A-25. If tables are not available, the enthalpy difference due to the temperature difference can be calculated from

Based on the classical sign convention, the net heat transfer to the reacting system is

In an actual combustion process, is the value of Qnet positive or negative?4041Example 15-7

Butane gas C4H10 is burned in theoretical air as shown below. Find the net heat transfer per kmol of fuel.

Balanced combustion equation:

The steady-flow heat transfer is

4142Reactants: TR = 298 K

CompNi kmol/kmol fuelkJ/kmolkJ/kmolkJ/kmolkJ/kmol fuelC4H101-126,150-----126,150O26.508,6828,6820N224.4408,6698,6690

Products: TP = 1000 K

CompNe kmol/kmol fuelkJ/kmolkJ/kmolkJ/kmolkJ/kmol fuelCO24-393,52042,7699,364-1,440,460H2O5-241,82035,8829,904-1,079,210N224.44030,1298,669+524,4824243

Adiabatic Flame Temperature

The temperature the products have when a combustion process takes place adiabatically is called the adiabatic flame temperature.

Example 15-8

Liquid octane C8H18(liq) is burned with 400 percent theoretical air. Find the adiabatic flame temperature when the reactants enter at 298 K, 0.1 MPa, and the products leave at 0.1MPa. 4344

The combustion equation is

The steady-flow heat transfer is

Thus, HP = HR for adiabatic combustion. We need to solve this equation for TP.4445Since the temperature of the reactants is 298 K, ( )i = 0,

Since the products are at the adiabatic flame temperature, TP > 298 K

4546Thus, setting HP = HR yields

To estimate TP, assume all products behave like N2 and estimate the adiabatic flame temperature from the nitrogen data, Table A-18.

Because CO2 and H2O are triatomic gases and have specific heats greater than diatomic gases, the actual temperature will be somewhat less than 985 K. Try TP = 960 K and 970K.

NeCO2840,60741,145H2O934,27434,653O237.529,99130,345N218828,82629,1517,177,5727,259,3624647Interpolation gives: TP = 962 K.Example 15-9

Liquid octane C8H18(liq) is burned with excess air. The adiabatic flame temperature is 960 K when the reactants enter at 298 K, 0.1 MPa, and the products leave at 0.1MPa. What percent excess air is supplied?

Let A be the excess air; then combustion equation is

4748The steady-flow heat transfer is

Here, since the temperatures are known, the values of are known. The product gas mole numbers are unknown but are functions of the amount of excess air, A. The energy balance can be solved for A.

Thus, 300 percent excess, or 400 percent theoretical, air is supplied.Example 15-10

Tabulate the adiabatic flame temperature as a function of excess air for the complete combustion of C3H8 when the fuel enters the steady-flow reaction chamber at 298 K and the air enters at 400 K.

The combustion equation is

4849where A is the value of excess air in decimal form.

The steady-flow heat transfer is

Percent Excess AirAdiabatic Flame Temp. K02459.3202191.9501902.51001587.121712004950Enthalpy of Reaction and Enthalpy of Combustion

When the products and reactants are at the same temperature, the enthalpy of reaction hR, is the difference in their enthalpies. When the combustion is assumed to be complete with theoretical air supplied the enthalpy of reaction is called the enthalpy of combustion hC. The enthalpy of combustion can be calculated at any value of the temperature, but it is usually determined at 25oC or 298 K.

Heating Value

The heating value, HV, of a fuel is the absolute value of the enthalpy of combustion or just the negative of the enthalpy of combustion.

The lower heating value, LHV, is the heating value when water appears as a gas in the products.

5051The lower heating value is often used as the amount of energy per kmol of fuel supplied to the gas turbine engine.

The higher heating value, HHV, is the heating value when water appears as a liquid in the products.

The higher heating value is often used as the amount of energy per kmol of fuel supplied to the steam power cycle.

See Table A-27 for the heating values of fuels at 25oC. Note that the heating values are listed with units of kJ/kg of fuel. We multiply the listed heating value by the molar mass of the fuel to determine the heating value in units of kJ/kmol of fuel.

The higher and lower heating values are related by the amount of water formed during the combustion process and the enthalpy of vaporization of water at the temperature.

5152Example 15-11

The enthalpy of combustion of gaseous octane C8H18 at 25oC with liquid water in the products is -5,500,842 kJ/kmol. Find the lower heating value of liquid octane.

Can you explain why LHVliq< LHVgas?52