power point kimia

Reaksi Dasar Proses Pembakaran

Reaksi Pembakaran komponen sebelum reaksi: reaktan (bahan bakar +

oksidator) komponen setelah reaksi: produk

Bahan bakar + oksidator Produk

karbon (C)

hidrogen (H)

sulfur (S)

Reaksi Dasar

2 2C O CO (1.1)

2 2 2

1H O H O

2 (1.2)

2 2S O SO (1.3)

Komponen Utama Bahan Bakar Fosil


Koefisien di depan masing-masing suku persamaan reaksi disebut koefisien stoikiometri (stoichiometric coefficients)

2 2 2

1H O H O

2

Reaksi Dasar

koefisien stoikiometri

Pembakaran Karbon Tidak Sempurna

2

1C O CO

2 (1.4)

Karbonmonoksida dalam produk pembakaran pemakaian energi yang tidak efisien merupakan polutan di udara.


Contoh 1.1:Tentukan reaksi stoikiometri pembakaran metana (CH4) dan

heptana (C7H16)

Penyelesaian:Pembakaran metana (CH4):

Pembakaran heptana (C7H16):

Dari kesetimbangan oksigen 2x = 14 + 8 = 22 x = 11Maka :

4 2 2 2CH 2O CO 2H O

7 16 2 2 2C H + xO 7CO + 8H O

7 16 2 2 2C H + 11O 7CO + 8H O

Udara Teoritis

Udara yang dipergunakan dalam kebanyakan proses pembakaran berasal dari udara bebas.

Dalam kebanyakan analisis teoritis/praktis, udara dianggap dalam kondisi kering (dry air) yang tersusun dari komponen:oksigen (O2)nitrogen (N2)argon (Ar)karbondioksida (CO2)helium (He)neon (Ne), dsb.

Untuk perhitungan pembakaran, satu satuan volume (mol) udara kering dapat diasumsikan terdiri dari:21% oksigen 79 % nitrogen

Komposisi Udara Kering

Udara Teoritis

Pemenuhan Kebutuhan Oksigen Dari Udara

Kebutuhan oksigen pada pembakaran, dapat dipenuhi oleh oksigen dari udara sbb:

1 mol O2 dipenuhi oleh

1 mol O2 + 3,76 mol N2 = 4,76 mol udara 1 kg O2 dipenuhi oleh

1 kg O2 + 3,30 kg N2 = 4,30 kg udara Hubungan di atas menunjukkan jumlah kebutuhan udara kering minimum yang akan memberikan oksigen untuk pembakaran yang sempurna. Jumlah udara ini disebut sebagai udara teoritis atau udara stoikiometri

Udara Teoritis

Contoh 1.2:Tentukan reaksi stoikiometri pembakaran metana (CH4)

dengan menggunakan udara sebagai oksidatornya

Penyelesaian:Pembakaran methana CH4 dengan udara kering:

Reaksi stoikiometri diatas menunjukkani diperlukan 2(1+3,76) = 9,52 mol udara untuk membakar 1 mol metana dengan sempurna.

4 2 2 2 2 2CH + 2 O + 3,76N CO + 2H O + (2)(3,76)N

Persamaan Umum Stoikiometri Pembakaran

Formula Fiktif Bahan Bakar Bahan bakar secara umum mengandung unsur-unsur karbon

(C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N) dan belerang (S) Jika prosentase berat (fraksi massa) masing-masing unsur

yang terkandung dalam suatu bahan bakar fosil adalah: Karbon (C) = % Hidrogen (H) = % Oksigen (O) = % Sulfur (S) = % Nitrogen (N) = %

Maka formula fiktif bahan bakar dapat dinyatakan sebagaiCx Hy Oz Sp Nq dimana:

12x

1y

16z

32p

14q

(1.5a-e)


Kebutuhan Udara Masing-masing Unsur Bahan Bakar KarbonDari reaksi:

2 2C + O COMaka: Untuk x mol C, kebutuhan udara adalah : x (1(O2) + 3,76 (N2)) = 4,76x mol

HidrogenKebutuhan udara dihitung berdasarkan asumsi oksigen yang terkandung dalam bahan bakar yang sudah atau akan bereaksi dengan hidrogen membentuk air (H2O). Dengan demikian hidrogen yang masih

memerlukan udara dapat dievaluasi dengan langkah berikut: Reaksi hidrogen dengan oksigen yang terdapat dalam bahan bakar:

2 2 2

1H + O H O

2

Untuk sejumlah z mol oksigen bereaksi dengan 2z mol hidrogen


Kebutuhan Udara Masing-masing Unsur Bahan Bakar

Jadi hidrogen yang masih memerlukan udara adalah sebesar (y-2z) mol

Dari reaksi: 2 2 2

1H + O H O

2

Hidrogen (lanjutan)

Untuk (y-2z) mol H (ekivalen dengan (y-2z)/2 mol H2), kebutuhan mol

udara adalah:

2 2

2 21(O ) 3,76(N ) (4,76)

4 4

y z y z

SulfurDari reaksi:

2 2S + O SOMaka: Untuk p mol S, kebutuhan udara adalah : p (1(O2) + 3,76 (N2)) = 4,76p mol


Kebutuhan Udara Bahan Bakar Fiktif Cx Hy Oz Sp Nq

Maka untuk satu mol bahan bakar dengan formula fiktif Cx Hy Oz Sp Nq akan diperoleh kebutuhan mol udara

stoikiometris sebesar :

2 2

2 21(O )+ 3,76(N ) (4,76)

4 4

y z y zx p x p

(1.6)

Persamaan Umum Stoikiometris

2 2

2 2 2 2

2C H O S N O + 3,76N

42

CO H O SO 3,76 N2 2 4

x y z p q

y zx p

y q y zx p x p

(1.7)

Udara Lebih

Sulit mendapatkan pencampuran yang memuaskan antara bahan bakar dengan udara pada proses pembakaran aktual

Udara perlu diberikan dalam jumlah berlebih untuk memastikan terjadinya pembakaran secara sempurna seluruh bahan bakar yang ada

Latar Belakang dan Tujuan Udara Lebih

Definisi Udara LebihUdara yang diberikan untuk pembakaran dalam jumlah yang lebih besar dari jumlah teoritis yang dibutuhkan bahan bakar

% udara teoritis = 100 100

% udara lebih = % udara teoritis 100

ua ua

us us

m N

m N

(1.8a-b)

m dan N menunjukkan massa dan mol, sedangkan indeks ua dan us menunjukkan udara aktual dan udara stoikiometris

Udara Lebih

Contoh 1.3:Tentukan reaksi pembakaran metana (CH4) dengan

menggunakan 10 % udara berlebih

Penyelesaian:Metana (CH4) dibakar dengan 10 % udara berlebih

Persamaan pembakaran:

4 2 2 2 2 2 2CH (1,1) 2 O + 3,76N CO 2H O 0,2O (1,1) (2)(3,76)N

Udara Lebih

Udara lebih dapat dideduksi dengan pengukuran komposisi produk pembakaran dalam keadaan kering (dry basis). Jika produk merupakan hasil pembakaran sempurna, maka persentase udara lebih dapat dinyatakan sebagai:

Penentuan Udara Lebih dari Komposisi Produk

2

2 2

O

N O

% udara lebih = 100/ 3,76

prod

prod prod

N

N N

(1.9)

2

2 2

O

N O

% udara lebih = 100/ 3,76

prod

prod prod

(1.10)

pengukuran gas biasanya dinyatakan dalam fraksi mol (), maka persamaan (1.10) lebih sering digunakan

Udara Lebih

Contoh 1.4:Pengukuran produk kering pembakaran dari sebuah alat pembakar (burner) yang menggunakan gas alam dan udara menunjukkan kandungan volumetric 5 % oksigen dan 9 % karbon dioksida.

Tentukan udara lebih pada proses pembakaran tersebut

Penyelesaian:Dari pengukuran diketahui:

2 2 2O CO N0,05 ; 0,09 ; dan 0,86 (dari perbedaan)

Dengan menggunakan rumus (1.10), maka

0,05% udara lebih = 100 28

0,86 / 3,76 0,05

Jadi udara lebih dalam proses pembakaran tersebut adalah 28%

Rasio Udara-Bahan Bakar

Rasio Udara-Bahan BakarRasio udara-bahan bakar merupakan nilai yang menunjukkan perbandingan antara jumlah udara yang disuplai dengan jumlah bahan bakar yang dipergunakan (dibakar) yang dapat dinyatakan dalam basis massa/berat (by weight) maupun basis volume/mol

u u u

bb bb bb

m M NAF

m M N (1.11)

dimana M menunjukkan massa molekuler, sedangkan indeks u dan bb menunjukkan udara dan bahan bakar.

Untuk keperluan perhitungan praktis massa molekuler udara adalah 28,9 kg/kmol


Rasio Bahan Bakar-UdaraKebalikan dari AF sering juga digunakan dalam analisis stoikiometri pembakaran dan disebut sebagai rasio bahan bakar-udara (fuel air ratio) yang dirumuskan sebagai berikut:

(1.12)

Rasio bahan bakar udara, FA sering juga disimbulkan dengan f.

bb bb bb

u u u

m M NFA

m M N


Contoh 1.5:Tentukan perbandingan udara bahan bakar pada pembakaran sempurna dari metana dengan udara teoritis.

Penyelesaian:Reaksi pembakaran:

4 2 2 2 2 2CH + 2 O + 3,76N CO + 2H O + (2)(3,76)N

4 4 4CH CH CH

4

28,9 / 2(1 3,76)

16 / 1

17,2 kg udara/kg CH

u u ukg kmol kmolm M N

AFm M N kg kmol kmol

Maka Rasio Udara-Bahan Bakar:

Rasio Ekivalen

Perbandingan antara rasio udara- bahan bakar stoikiometrik dengan rasio udara-bahan bakar aktual atau perbandingan antara rasio bahan bakar-udara aktual dengan rasio bahan bakar-udara stoikiometrik

Rasio Ekivalen (Equivalence Ratio)

s a

a s

AF FA

AF FA (1.13)

> 1 terdapat kelebihan bahan bakar dan campuran disebut campuran kaya bahan bakar (fuel-rich mixture).

< 1 campurannya disebut campuran miskin bahan bakar (fuel-lean mixture)

= 1 merupakan campuran stoikiometrik

Rasio Ekivalen

Dengan menggunakan rasio ekivalen, persen udara teoritis atau persen udara lebih dapat ditentukan sebagai berikut:

Hubungan Rasio Ekivalen dengan Udara Lebih

(1.14a-b)

100% udara teoritis =

100 1-% udara lebih =

Rasio Ekivalen

Contoh 1.6:Sebuah alat pembakar (burner) turbin gas beroperasi pada beban penuh dengan laju aliran massa udara 15,9 kg/s. Bahan bakarnya adalah gas alam dengan komposisi ekivalen C1,16H4,32. Tentukan rasio

udara-bahan bakar dan laju aliran massa bahan bakar jika proses pembakaran hendak dijaga pada kondisi campuran miskin bahan bakar (fuel-lean mixture) dengan rasio ekivalen 0,286

Penyelesaian:Diketahui: pembakaran C1,16H4,32 rasio ekivalen, = 0,286 laju aliran udara aktual, Ditanya: rasio udara-bahan bakar stoikiometris AF dan laju aliran bahan-bakar,

15,9 kg/suam

bbam

Rasio EkivalenPenyelesaian (lanjutan):Dari persamaan umum reaksi pembakaran (1.7), maka reaksi pembakaran proses di atas adalah:

1,16 4,32 2 2 2 2 2

1,16 4,32 2 2 2 2 2

4,32 4,32 4,32C H 1,16 O +3,76N 1,16 H O 3,76 1,16 N

4 2 4

C H 2,24 O +3,76N 1,16 2,16H O 8,42N

CO

CO

Menggunakan persamaan (1.11), rasio udara-bahan bakar stoikiometrik dapat ditentukan sebagai berikut: Massa molekuler udara, Mu = 28,9 kg/kmol

Massa molekuler bahan bakar, Mbb = (1,16)(12) + (4,32)(1) = 18,24 kg/kmol

Maka rasio udara-bahan bakar stoikiometris:

(28,9 kg/kmol)(2,24(1+3,76) kmol)16,89

(18,24 kg/kmol)(1 kmol)u u u

s

bb bb bbs s

m M NAF

m M N

Rasio EkivalenPenyelesaian (lanjutan):Rasio udara-bahan bakar aktual dengan rasio ekivalen, = 0,286 dapat ditentukan dengan persamaan (1.13):

Karena rasio udara-bahan bakar juga menyatakan rasio laju aliran massa udara-bahan bakar, maka dengan menggunakan persamaan (1.11) dengan penyesuaian simbol maka laju aliran bahan bakar dapat ditentukan:

16,8959,06

0,286s

a

AFAF

15,9 kg/s0,269 kg/s

59,06ua ua

a bba

bba a

m mAF m

m AF

power point kimia

Documents