SISTEM PENYEDIAAN ENERGI TERMAL

1. Pendahuluan Pasokan energi termal diperlukan untuk:

• menyelenggarakan reaksi • pengubahan fasa zat (penguapan, peleburan dll.) • start-up pabrik • pengaturan temperatur bahan • dan masih banyak lagi!

Sumber energi termal: pembakaran, reaksi nuklir, matahari, dll. Yang paling luas digunakan untuk pabrik kimia: → pembakaran (bahan bakar) Panas dari pembakaran bahan bakar digunakan untuk:

• langsung memanaskan fluida proses • memanaskan fluida pemindah panas (heat transfer fluid)

Pemanas sirkulasi minyak (hot oil heater) di Gas Central Production Plant milik PT E3S di Sengkang - Sulsel. Pemanas menggunakan gas alam sebagai BB

2. Reaksi Pembakaran Reaksi dengan oksigen (O2)

1) O2 murni 2) Udara : 21% O2, 79% N2 ratio mol N2/O2 = 3.76

Unsur2 utama yang bereaksi dg oksigen & memberikan kontribusi panas pembakaran yg berarti pd kondisi praktis adalah:

• karbon (C) • hidrogen (H) • sulfur (S)

Bahan bakar CxHySz (Rumus jelas) 1) CxHySz + (x + y/4 +z) O2 ⇒ x CO2 + y/2 H2O + z SO2 1 mol (x + y/4 +z) mol x mol y/2 mol z mol

1 m3 (x + y/4 +z) m3 x m3 y/2 m3 z m3 2) CxHySz + (x + y/4 +z)(O2 + 3.76N2) ⇒ 1 mol + (x + y/4 +z)(O2 + 3.76N2mol udara) x CO2 + y/2 H2O + z SO2 x mol y/2 mol z mol Kebutuhan udara : m4 = (4.76x + 1.19y + 4.76z) mol udara/mol bahan bakar Pembakaran sempurna, teoritis (produk CO2, tidak ada CO) Pembakaran tidak sempurna: Produk mengandung CO (dan sisa CxHySz)

- racun - pemborosan (panas tidak maksimal)

Bahan bakar sering dinyatakan dengan komposisi dalam % massa

• C = % massa karbon • H = % massa hidrogen • S = % massa belerang • O = % massa oksigen

Biasanya persentase dinyatakan dalam basis bebas air atau bebas air & abu ("dry, mmf basis") Oksigen dan hidrogen bersama selalu berikatan 2H + O → H2O 2g 16g

1g Oksigen ≡ 1/8 Hidrogen

Bila ada oksigen, hidrogen yang dapat bereaksi dengan oksigen dari luar bahan bakar berkurang dengan O/8 Kebutuhan massa udara 1 mol C = 12 gC ≡ 4.76 mol udara = 4.67 x 28.9 g udara 1 g C ≡ 11.47 g udara Dengan cara yang sama: 1 g S ≡ 4.3 g 1 g H ≡ 34.4 g udara Kebutuhan udara teoritik, dihitung dari komposisi bahan bakar: Gudara = [11.47 C + 34.4 (H-O/8) + 4.3 S] x 1/100 (g udara/ g bahan baku)

Agar pembakaran sempurna:

1) Oksigen cukup banyak untuk bahan bakar yang ada. 2) Oksigen dan bahan bakar campur dengan baik. 3) Campuran oksigen-bahan bakar pada temperatur ≥

temperatur nyalanya (flash ignition temperature). 4) Ruang pembakaran cukup besar sehingga cukup waktu kontak

untuk reaksi. Flash point : temperatur terendah dimana uap jenuh bahan bakar menyala (tersulut) oleh adanya api (open flame) Autoignition temperature: temperatur dimana bahan bakar akan menyala spontan tanpa tersulut api. Harga temperatur diatas berkaitan dengan harga tekanan uap bahan bakar (yang menyala adalah uap/gas) 3. Panas Pembakaran: Panas reaksi standard pada pembakaran bahan bakar → Panas pembakaran standard Nilai kalor (heating value/calorific value) tiap unsur:

Unsur

Panas Pembakaran

kJ/kmol kJ/kg kcal/kmol

Carbon (C) 393,513 32,792 94,052 Hidrogen(H) 286,000 143,000 68,400 Sulfur (S) 291,000 9093 69,600

Bila diketahui % unsur unsur C, H dan S dalam bahan bakar, perkirakan panas pembakaran:

bakarbahankkCalSOHCKN

SOHCkalorNilai

75.218

34283.80.

320069600

920068400

120097000

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

Persamaan Dulong:

bakarbkkJSOHCHV

.9400

8144200950.33 +⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

C,H,O,S dalam fraksi massa.

Heat of Combustion (panas pembakaran): • Panas yang dihasilkan pada proses pembakaran sempurna

(produknya CO2 dan H2O). • Ditentukan dengan bomb calorimeter (ASTM D2015)

Dua pendekatan penentuan nilai kalor: 1. Higher (Gross) heating value (HHV) panas yang dihasilkan pada pembakaran jumlah tertentu bahan bakar dimana produk H2O berupa cairan (dikondensasikan). CH4 + O2 → CO2 + 2 H2O + 890346 kJ/kmol gas gas gas cair 2) Lower (Net) heating value (LHV) panas yang dihasilkan pada pembakaran jumlah tertentu bahan bakar dimana produk H2O yang dihasilkan berupa uap (gas)

CH4 + O2 → CO2 + 2 H2O + 808158 kJ/kmol gas gas gas gas

Hubungan antara HHV & LHV:

LHV = HHV - mwλw

• Selisih HHV dengan LHV = panas laten penguapan air pada

tekanan parsial uap air dalam produk pembakaran. • P = 1 atm = 101325 Pa • PH2O = 2/3 x 101325 = 67550 Pa • Pada tekanan ini λw ≅ 2283 kJ/kg = 41095 kJ/kmol • LHV = 890346 –(2)(41095) = 808158 kJ/kmol

Sebagai pendekatan, selisih tersebut dapat diambil harga : 589 kalori/g air, 1040 Btu/lb air, atau 2450 kJ/kg air W = fraksi massa H2O dalam bahan bakar H = fraksi massa Hidrogen dalam bahan bakar

LHV = HHV – 2450 (W + 9H) kJ/kg

4. BAHAN BAKAR 4.1. Bahan Bakar Gas Golongan berdasarkan asalnya: A. Gas alam - melibatkan proses pemisahan sederhana B. Gas sintetik - melibatkan konversi kimiawi (1) Gas Alam

• Dari sumur gas alam atau sumur minyak komposisi bervariasi, tergantung sumbernya.

• Rentang komposisi: CH4 - 70-96% C2H6 - 3-30% C3H8 - relatif sedikit C4H10 - relatif sedikit C5H12 - relatif sedikit CO2 - relatif sedikit N2 - relatif sedikit

• Sebelum digunakan dibersihkan dahulu dari:

- H2O - debu - CO2 - N2 - H2S (Sour), bebas H2S (Sweet) - Hidrokarbon yang mudah mengembun / kondensat (propane, butane, pentane)

• Sebagai bahan bakar paling disukai, bersih. • H tinggi → effisiensi kurang ∼ 23%

Moda distribusi gas alam:

• sebagai gas disalurkan melalui pipeline • sebagai CNG ditransportasikan dalam tangki tekanan tinggi • sebagai LNG ditransportasikan dalam tangki kriogenik

Terminal pengisian CNG untuk kendaraan bermotor di Jakarta

Transportasi LNG berskala mini dg truk tangki di Guangxi, Cina Pencairan → Proses cryogenic LNG → hemat penyimpanan & transportasi 1 m3 cair ≡ 600 m3 gas 36 bar → -100o C

Nilai kalor beberapa komponen gas alam

Komponen Rumus Panas Pembakaran (HHV) Kimia kJ/kmol

metan CH4 (g) 890,800 Etilen C2H4 (g) 1,390,000 Etane C2H6 (g) 1,542,000 Propilen C3H6 (g) 2,052,000 Propane C3H8 (g) 2,203,000 Isobutan C4H10 (g) 2,861,000 Isopentan C5H12 (g) 3,531,000 Isopentan C5H12 (l) 3,510,000 n-pentan C5H12 (g) 3,510,000

Nilai kalor campuran:

HV = Σ xi HVi

xi = faksi mol (2) Liquefied Petroleum Gas (LPG)

• Gas hidrokarbon yang dapat dicairkan pada temperatur kamar dengan tekanan tidak terlalu tinggi (3-9 atm)

• Pencairan dg peningkatan tekanan saja • Gas berasal dari sumur minyak, dari kilang minyak. • Komponen utama propan, butan sedikit, propilen, butilen, dan

iso-butana. • Nilai kalor 2000 – 3000 Btu/ft3 (STP)

(3) Gas kota

• Dibuat dengan proses karbonisasi batubara atau fuel oil. • Contoh komposisi:

o CO2 - 4% o CnHm - 5% o CO - 8.5% o H2 - 47% o CH4 - 31% o C2H6 - 3%

• Nilai kalor 500-650 Btu/ft3 (4) Biogas

• Berasal dari penguraian biomassa oleh mikroorganisme o metana (CH4): 40-70 %-volume o karbon dioksida (CO2): 30-60 %-volume o gas-gas lain (misalnya hidrogen, hidrogen sulfida): 1-5 %-

volume • nilai kalor sebesar 750 Btu/ft3 • contoh2 biomassa yg potensial utk produksi biogas:

o kotoran sapi / kerbau, kuda, kambing, ayam o eceng gondok, jerami

• perolehan gas:

Jenis kotoran Produksi gas per kg kotoran (m3) sapi, kerbau 0.023 - 0.040 babi 0.040 - 0.059 ayam 0.065 - 0.116 manusia 0.020 - 0.028

Komposisi dan Nilai Kalor Bahan bakar Gas

Bahan bakar

gas alam

coke oven gas

blue/water gas

Producer gas

CO - 6.3 42.8 27 CO2 0.8 1.8 3 4.5 H2 - 53 49.9 14 N2 3.2 3.4 3.3 50.9 O2 - 0.2 0.5 0.6 CH4 96 31.6 0.5 3 C2H6 - - - - HHV,

MJ/m3 36 21 11 5.5 Coke oven gas Hasil samping distilasi batu bara untuk produksi cool tar dan kokas Producer Gas Diperoleh dengan mereaksikan udara dan kukus dengan kokas atau batubara dalam keadaan panas. Water Gas (Blue Gas) Diperoleh dengan mereaksikan kukus dengan kokas atau batubara panas (>1000oC). Gas Sintesa Kukus dan batu bara direaksikan dengan cara lebih baik. proses gasifikasi: - Lurgi - Winker - Koppers – Totzek - Hygas, U-gas Komponen gas: CO, CO2, CH4,dan H2 Komposisi bervariasi dengan kondisi proses Produk: : Low Btu gas, Medium Btu gas, dan High Btu gas Low Btu : HV=180-350 Btu/ft3 serbuk batu bara + kukus + udara

C + O2 + 3.76 N2 → CO2 + 3.76 N2 CO2 + C → 2 CO2

C + H2O → CO + H2 Shift reaction : CO + H2O → CO2 + H2 peningkatan H2 High Btu : HV = 950 – 1100 Btu/ft3 Ditambah dengan produksi metan, metanasi katalitik CO + 3 H2 → CH4 + H2O (katalis Ni, pd 1000o C)

Bahan Bakar Padat

1. Kayu: Hutan, Limbah penggerajian kayu, kulit kayu.

tersusun dari:

- Karbonat (selulosa)

- Lignin

- Air

- Abu

- Ada yang mengandung resin (damar, resin, getah)

Kayu kering diudara : 10-15 % air

bahan volatile 60 – 75%

Nilai kalor : 4500 – 5000 kkal/kg

yang mengandung resin & malam (wax) ∼ 9450 kkal/kg

Mudah dinyalakan, nyala api ∼ panjang, berasap abu relatif sedikit.

Serbuk gergaji sering dibuat briket.

2. Limbah Pertanian

- Ampas tebu (Bagasse), bahan bakar ketel dipabrik gula (dapat dibuat

kertas).

- Tempurung dan sabut kelapa /sawit digunakan sebagai bahan bakar ketel

dipabrik minyak kelapa sawit (CPO).

3. Arang

Dibuat dengan cara distilasi kering (destructive) kayu (pemanasan tanpa udara

→ karbonisasi.

- Nilai kalor 7500 – 7800 kkal/kg.

- abu < 2.5 %

- bahan bakar volatile 12-17%

Kayu

Bisa dipakai sebagai

a. bahan bakar langsung

b. gasifikasi, menghasilkan:

- gas (bahan bakar)

- CO2, N2

- CO

- H2

- CH4, C2H6

c. karbonisasi/pirolisa/destructive distilation

menghasilkan produk cair:

- aseton

- metanol

- asam asetat

- piroligneus asetat

Karbonisasi

Temperatur rendah ∼ 350o C

Temperatur tinggi ∼ 1000o C

Variasi produk ditentukan oleh:

- Jenis kayu

- Variasi kondisi

Kayu Pinus kering terdiri dari:

- Bahan volatile ∼ 72.9 %

- Karbon ∼ 24.2 %

- Abu ∼ 2.9 %

Analisa rinci kayu pinus kering :

Zat Pinus (%)

Bagasse (%)

Hidrogen 5.6 2.8 Karbon 53.4 23.4 Sulfur 0.1 - Nitrogen 0.1 0.1 Oksigen 37.9 20 Abu 2.9 1.7 H2O - 52 Nilai karbon (HHV) (Btu/lb) 9000 4000 (kkal/kg) 4990 2220

4. Peat (Tanah Gambut)

Tanah coklat-hitam terbentuk karena pelapukan tumbuh tumbuhan. kandungan

air tinggi sekali yaitu 80-90%. kalo sudah dikeringkan dapat dibakar.

merupakan asal usuk batubara.

Peat kering : - C - 57%

- H - 6%

- O - 35%

Nilai kalor : 5400 kkal/kg

5. Batu bara

Dipilah menurut tingkat tuanya

berikut ini tingkatan ketuaan batu bara, dari yang muda hingga yang paling tua:

- Lignite

- Subituminus

- Bituminus

- Semibituminus

- Antracite

Lignit : - batubara coklat, tingkat terendah

- masih mengandung sisa kayu

- kadar air tinggi → kurang ekonomis

Subituminus

- tingkat lebih tinggi, hitam

Bituminus & Semibituminus

- banyak digunakan di industri

- untuk buat kokas, gas batu bara, bahan bakar ketel

- mudah dinyalakan dan terbakar dalam bentuk sebuk

- kelompok terbanyak

Antrasit

- batu bara paling tua, paling keras rapuh

- sukar dinyalakan

- hitam mengkilat

Perbandingan tingkatan batubara

Batu bara % air % C % volatile HHV kkal/kg

Lignit 20-30 < 75 49-60 7000

Subituminus 15-25 75-84 36-42 7500

Bituminus 4 84-91 20-34 8500

Semibituminus 1-1.5 91-93 10-15 8500

Antrasit 1-1.5 86-98 2-10 8000-8500

Contoh analisa batubara bukit asam

Proximate

Air 23.6%

Abu 7.8%

Bahan volatil 30.3%

Karbon tetap 38.3%

HHV 21900 kJ/kg, 5240 kkal/kg

Analisa rinci batu bara Bukit Asam

Parameter % berat

1. kandungan air 23.6

2. Abu 7.8

3. C 54.2

4. H 3.9

5.S 0.4

6. N 0.9

7. O 9.2

Komposisi abu (sisa pembakaran b.bara)

SiO2 59.4 (rata-rata)

Fe2O3 4.6

Al2O3 24.7

CaO 3.1

MgO 1.7

Na2O 2.5

K2O 0.5

Fly Ash

- Abu terbang

- Abu dipisahkan dari gas hasil pembakaran

Masalh pembuangan di PLTU dengan bahan bakar batu bara

Suryalaya- Merak

Paiton – Jawa timur

Muara Enim – Sumsel

Kokas

Arang yang diperoleh dari karbonisasi batu bara (Bituminous)

Kandungan air 7.3%

Bahan volatil 2.3%

Karbon tetap 79.4%

Abu 11.0%

Keempat kandungan ini disebut proximate

H2 0.3%

C 80%

S 0.6%

N2 0.3%

O2 0.5%

H2O 7.3%

Abu 11.0%

Ketujuh kandungan tersebut disebut ultimate

HHV Btu/lb 11.670

HHV kkal/kg 5880

- Kokas dari batubara lignit berupa serbuk, perlu dibuat briket

- Komposisi dan sifat sifat kokas bergantung pada jenis batubara dan

temperatur karbonisasi (Temperatur rendah 500-700oC sedang

temperatur tinggi 900 -1200oC).

- Umumnya digunakan dalam industri metalurgi (Tanur peleburan biji

logam) Perlu sifat sifat khusus.

Contoh analisis Tipe-tipe batubara

Komponen Antrasit Bituminus Subituminus Lignit

Proximate

Fixed C 83.8 70.0 45.9 30.8

Volatil Matrial 5.7 20.5 30.5 28.2

Moisture 2.5 3.3 19.6 34.8

Ash 8.0 6.2 4.0 6.2

Ultimate

C 83.9 80.7 58.8 42.4

H 2.9 4.5 3.3 2.8

O2 0.7 1.8 0.3 0.7

N2 1.3` 1.1 1.3 0.7

H2O 2.5 3.3 19.6 34.8

HHV(kkal/kg) 8600 8200 7500 6500