BAB II BAHAN BAKAR dan PROSES PEMBAKARAN Hasil Pembelajaran Setelah intraksi pembelajaran pada bab ini, mahasiswa dapat memahami jenis-jenis bahan bakar, proses pembakaran, pembakaran, dan karakteristik pembakaran.
Kriteria Penilaian Keberh Keberhasil asilan an saudar saudaraa dalam dalam mengua menguasai sai bab ini dapat dapat diukur diukur dengan dengan kriteri kriteriaa sebaga sebagaii berikut: 1. Menguraikan Menguraikan jenis-jenis jenis-jenis bahan bahan bakar bakar.. 2. Menjelaskan Menjelaskan sifat-sifat/k sifat-sifat/kualitas ualitas bahan bakar bakar air dan bahan bakar padat. !. Men"ebutk Men"ebutkan an klasifikasi klasifikasi bahan bahan bakar batubara. batubara. #. Menjelaskan Menjelaskan analisis analisis kualitas batubara batubara $analisis $analisis proksimat proksimat dan analisis ultimat%. ultimat%. &. Menghitung Menghitung nilai kalor kalor bahan bahan bakar bakar '. Men"elesaika Men"elesaikan n persamaan persamaan reaksi pemba pembakaran karan
Pendahuluan (agian pertama pertama pada bab ini adalah membahas tentang bahan bakar "ang meliputi: meliputi: jenis jenis bahan bakar, komposisi dan sifat-sifat bahan bakar, dan nilai kalor bahan bakar. (agian (agian kedua kedua bab ini berisi berisi tentan tentang g pembah pembahasan asan proses proses pembak pembakaran aran "ang "ang melipu meliputi: ti: karakteristik karakteristik udara pembakaran pembakaran,, stoikiometr stoikiometris is pembakaran pembakaran,, dan persamaan-per persamaan-persamaan samaan reaksi pembakaran $seara teoritis dan aktualn"a%.
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
1)
2.1
Bahan Baar
*itinjau dari sudut teknis dan ekonomis, bahan bakar diartikan sebagai bahan "ang apabila apabila dibakar dibakar dapat meneruskan proses pembakaran pembakaran tersebut dengan dengan sendirin" sendirin"a, a, disertai disertai pengeluaran pengeluaran kalor. (ahan bakar dibakar dengan dengan tujuan tujuan untuk untuk memperoleh memperoleh kalor tersebut untuk digunakan baik seara sear a langsung maupun tak langsung. Sebagai ontoh, penggunaan kalor dari proses pembakaran seara langsung adalah: - +ntuk memasak memasak di dapur-dapur dapur-dapur rumah rumah tangga - +ntuk instalasi instalasi pemanas pemanas Sebagai ontoh penggunaan kalor seara tidak langsung adalah: - Kalor diubah menjadi energi mekanik, misaln"a pada pada motor bakar - Kalor diubah menjadi menjadi energi listrik, listrik, misaln"a misaln"a pada pembangkit pembangkit listrik tenaga diesel, tenaga gas dan tenaga uap. (ahan bakar tersedia di bumi dalam bentuk min"ak mentah $ crude oil %, % , gas alam $natural gas% gas% dan batu bara $coal $ coal %. %. Ketiga jenis bahan bakar ini disebut bahan bakar fosil. osil, dari bahasa latin fossa latin fossa "ang "ang berarti galian, adalah sisa-sisa atau bekas bekas makhluk hidup $hewan atau tanaman% tanaman% "ang menjadi batu atau mineral. (erdasarkan wujudn"a, bahan bakar dapat dibagi dalam tiga kategori "aitu bahan bakar padat, cair, ca ir, dan gas. Ketiga jenis bahan bakar ini akan diuraikan berikut. 2.1.1 Bahan Bahan Bakar Bakar Cair
(erbagai jenis bahan bakar air diperoleh dari hasil pengolahan min"ak mentah, "aitu "aitu melalui melalui proses destilasi fraksional $ fractional fractional destilation% destilation% dan dan pemecahan $cracking %. %. roses destilasi fraksional adalah proses pemisahan hidrokarbon dengan titik didih tinggi $high-boiling-point $ high-boiling-point % dengan "ang bertitik didih lebih rendah $lower boiling points%. Sedangkan proses pemeahan adalah proses pemeahan/pemutusan rantai hidrokarbon "ang panjang menjadi molekul-molekul "ang lebih keil. a. Jenis bahan bahan bakar bakar cair
0enis bahan bakar air atau bahan bakar min"ak $((M% "ang ban"ak ban"ak digunakan antara lain kerosen, gasoline $premium/bensin%, min"ak diesel dan min"ak residu.
• Kerosin
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
1
2.1
Bahan Baar
*itinjau dari sudut teknis dan ekonomis, bahan bakar diartikan sebagai bahan "ang apabila apabila dibakar dibakar dapat meneruskan proses pembakaran pembakaran tersebut dengan dengan sendirin" sendirin"a, a, disertai disertai pengeluaran pengeluaran kalor. (ahan bakar dibakar dengan dengan tujuan tujuan untuk untuk memperoleh memperoleh kalor tersebut untuk digunakan baik seara sear a langsung maupun tak langsung. Sebagai ontoh, penggunaan kalor dari proses pembakaran seara langsung adalah: - +ntuk memasak memasak di dapur-dapur dapur-dapur rumah rumah tangga - +ntuk instalasi instalasi pemanas pemanas Sebagai ontoh penggunaan kalor seara tidak langsung adalah: - Kalor diubah menjadi energi mekanik, misaln"a pada pada motor bakar - Kalor diubah menjadi menjadi energi listrik, listrik, misaln"a misaln"a pada pembangkit pembangkit listrik tenaga diesel, tenaga gas dan tenaga uap. (ahan bakar tersedia di bumi dalam bentuk min"ak mentah $ crude oil %, % , gas alam $natural gas% gas% dan batu bara $coal $ coal %. %. Ketiga jenis bahan bakar ini disebut bahan bakar fosil. osil, dari bahasa latin fossa latin fossa "ang "ang berarti galian, adalah sisa-sisa atau bekas bekas makhluk hidup $hewan atau tanaman% tanaman% "ang menjadi batu atau mineral. (erdasarkan wujudn"a, bahan bakar dapat dibagi dalam tiga kategori "aitu bahan bakar padat, cair, ca ir, dan gas. Ketiga jenis bahan bakar ini akan diuraikan berikut. 2.1.1 Bahan Bahan Bakar Bakar Cair
(erbagai jenis bahan bakar air diperoleh dari hasil pengolahan min"ak mentah, "aitu "aitu melalui melalui proses destilasi fraksional $ fractional fractional destilation% destilation% dan dan pemecahan $cracking %. %. roses destilasi fraksional adalah proses pemisahan hidrokarbon dengan titik didih tinggi $high-boiling-point $ high-boiling-point % dengan "ang bertitik didih lebih rendah $lower boiling points%. Sedangkan proses pemeahan adalah proses pemeahan/pemutusan rantai hidrokarbon "ang panjang menjadi molekul-molekul "ang lebih keil. a. Jenis bahan bahan bakar bakar cair
0enis bahan bakar air atau bahan bakar min"ak $((M% "ang ban"ak ban"ak digunakan antara lain kerosen, gasoline $premium/bensin%, min"ak diesel dan min"ak residu.
• Kerosin
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
1
(ahan bakar bakar kerosen meliputi meliputi bahan bakar bakar turbin gas pada pada pesawat terbang terbang dan min"ak bakar $min"ak tanah% "ang biasa dipakai pada dapur rumah tangga dan kapal laut. Mutu kerosen tergantung pada sifatn"a dalam uji lampu $lamp test% dan uji bakar, seperti timbuln"a asap dan kabut putih. sap disebabkan oleh hidrokarbon aromatik sedang kabut putih oleh disulfida. (bensin/premium • Gasoline (bensin/premium
3asolin 3asolin dibuat dibuat menurut menurut kebutuhan kebutuhan mesin, seperti a4gas $a4iation $a4iation gasoline%, gasoline%, premium dan gasolin biasa $bensin reguler%. 5umus kimia pendekatan untuk bensin/premium adalah ≈6)71). Sifat "ang terpenting pada gasolin adalah angka oktan, "aitu angka "ang menujukka menujukkan n besarn"a besarn"a kadar iso-oktana iso-oktana $6)71)% dalam ampurann"a ampurann"a dengan dengan normal heptana $6 871'%. 9so-ok 9so-oktan tanaa mempun mempun"a "aii angka angka oktan oktan 1;;, 1;;, artin" artin"aa bahan bakar ini sukar berdetonasi $sifat $s ifat anti-knokn"a baik%, sedangkan normal heptana mempun"ai angka oktan;, artin"a bahan bakar ini mudah berdetonasi $sifat anti-knokn"a jelek%. Makin tinggi angka oktan gasolin itu, maka makin baik unjuk kerjan"a. kerjan"a. • Bahan Bakar !iesel
(ahan bakar diesel atau min"ak diesel dipakai untuk mengoperasikan mesinmesin diesel atau ompression ignition engine.
amp ampur uran ann" n"aa
deng dengan an
meti metiln lnap apht htal alen enaa
$61171;%.
6etana
murni
mempun"ai angka etana 1;; sedangkan aromatik mempun"ai angka etana ;.
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
2;
• "in#ak $esidu
Min"ak residu biasa digunakan pada ketel uap, baik "ang stasioner maupun "ang bergerak. Min"ak residu juga digunakan pada: tanur dalam industri baja, tanur tinggi dalam industri semen serta berbagai dapur dalam industri petroleum dan industri kimia. Selain itu, min"ak residu juga digunakan pada mesin diesel kapal dan mesin diesel pada pembangkit tenaga listrik serta turbin gas. b. Komposisi dan %ifat&%ifat Bahan Bakar Cair (ahan bakar air terdiri atas sen"awa hidrokarbon atau ampuran beberapa jenis sen"awa hidrokarbon. ada min"ak bumi, kandungan hidrokarbon terdiri dari C' sampai C1 meliputi seri parafin, olefin, naptena, dan aromatik . 7idrokarbonhidrokarbon tersebut kadang-kadang merupakan sen"awa ikatan dengan belerang, oksigen dan nitrogen, "ang jumlahn"a beragam. ormulasi umum, struktur molekul, dan sifat-sifat dari keempat kelompok dasar sen"awa hidrokarbon tersebut ditunjukkan dalam
General formula
Molucular structure
Saturated/unsaturated
stability
Paraffin Olefin Naphthene
C n H 2n+2 Cn H 2n C n H 2n
Chain Chain Ring
Saturated Unsaturated Saturated
Aroatik
C n H 2n-!
Ring
Highl" unsaturated
Stable Unstable Stable #ost unstable
Seara umum keempat kelompok dasar sen"awa hidrokarbon di atas mempun"ai karaktristik sebagai berikut: $i% arafin
merupakan
sen"awa
hidrokarbon
"ang
paling
jelek
sifat
antiknock n"a jika digunakan sebagai bahan bakar pada motor bensin $S9 engine%. Kualitas antiknock$ pada sen"awa ini dapat ditingkatkan dengan meningkatkan jumlah atom karbon pada struktur molekuln"a. Sebalikn"a, sen"awa aromatik mempun"ai sifat %antiknock$ paling baik. $ii% arafin merupakan sen"awa hidrokarbon "ang paling baik digunakan sebagai bahan bakar untuk motor diesel $69 engine%, sedangkan "ang paling jelek adalah aromatik. $iii% Meningkatn"a jumlah atom dalam struktur molekul akan meningkatkan temperatur didih $boiling point% sen"awa tersebut. (ahan bakar dengan
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
21
jumlah atom "ang keil dalam molekuln"a enderung lebih mudah menguap $&olatile%. $i4% Seara umum, nilai kalor $heating 4alue% bahan bakar meningkat seiring dengan meningkatn"a proporsi atom hidrogen terhadap atom karbon di dalam molekul. 7al ini disebabkan karena atom hidrogen mempun"ai nilai kalor lebih tinggi dibandingkan atom karbon. =leh karena itu, sen"awa parafin mempun"ai nilai kalor "ang paling tinggi, sedangkan "ang paling rendah adalah aromatik. Kandungan unsur-unsur $dalam fraksi massa% dan nilai kalor $heating &alue% untuk beberapa jenis bahan bakar sebagaimana ditunjukkan dalam
Fuel No. fuel oil No. ! fuel oil No. " fuel oil Gasoline
%
2
C
2
02
-sh
;,;;1
;,1!)
;,)'1
-
>il
>il
Heating Value (Btu/lb) 1.)1;
;,;;!
;,12&
;,)82
;,;;;2
>il
>il
1.#!;
;,;2!
;,;8
;,)&'
;,;;12
1).!;;
;,;;)
;,1#8'
;,)#
-
2;.8&;
Mass Fraction of
;,;2 -
-
Sifat-sifat bahan bakar air "ang perlu diketahui antara lain adalah: a. ilai Kalor
>ilai kalor atau heating &alue atau calorific &alue atau kalor pembakaran adalah kalor "ang dihasilkan oleh pembakaran sempurna 1 kilogram atau 1 satuan berat bahan bakar padat atau air atau 1 m ! atau 1 satuan 4olume bahan bakar gas, pada keadaan standar. >ilai kalor merupakan ukuran panas atau energi "ang dihasilkan dan diukur sebagai >ilai Kalor Kotor '(ross Calorific )alue* (C) atau >ilai Kalor tas 'Higher Heating )alue* HH) dan >ilai Kalor >etto $ Nett Calorific )alue* NC) atau >ilai Kalor (awah $ ,oer Heating )alue* ,H) %. erbedaann"a ditentukan oleh kalor laten kondensasi dari uap air "ang dihasilkan selama proses pembakaran.
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
22
>ilai Kalor Kotor $(ross Calorific )alue* (C) % mengasumsikan seluruh uap "ang dihasilkan selama proses pembakaran sepenuhn"a terembunkan/ terkondensasikan, sehingga kalor laten 4a4orisasi ikut diperhitungkan. Sedangkan >ilai Kalor >etto $ NC) % mengasumsikan air "ang keluar dengan produk pengembunan tidak seluruhn"a terembunkan $uap air pada produk tidak terkondensasi%. (esarn"a >ilai Kalor >etto adalah sama dengan >ilai Kalor Kotor dikurangi kalor "ang diperlukan oleh air "ang terkandung dalam bahan bakar dan air "ang terbentuk dari pembakaran bahan bakar untuk menguap pada 2& o6 dan tekanan tetap. ir dalam sistem, setelah pembakaran berwujud uap air pada 2&o6. (ahan bakar harus dibandingkan berdasarkan >ilai Kalor >etto. >ilai kalor batubara ber4ariasi tergantung pada kadar abu, kadar air dan jenis batu baran"a sementara nilai kalor bahan bakar min"ak lebih konsisten. 36? untuk beberapa jenis bahan bakar air "ang umum digunakan diperlihatkan pada
Bahan Bakar "in#ak
Min"ak
11.1;; 1;.);; 1;.8;; 1;.&;; 1;.';;
enentuan >ilai Kalor $77?% bahan bakar min"ak $min"ak bakar/ .uel Oil*.O% dengan menggunakan 3rafik sebagaimana ditunjukkan pada 3ambar 2.1. ada grafik dalam 3ambar 2.1 tersebut, derajat $degree% 9 ditentukan berdasarkan relasi terhadap spesific grafiit", "aitu: 1#1,&
*eg 9 spec. gra&. A '; / '; . − 1!1,& rasio densitas min"ak pada '; o dengan densitas air pada ';o.
spec. gra&. A '; / '; .
7eating ?alue $ /0U1lb% "ang diperoleh dari grafik pada 3ambar 2.1 dikoreksi dengan menggunakan persamaan:
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
2!
77?corr
/0U / lb2[1;; − $ A + # + S ] 1;;
+
#;,&S
*imana : B berat bu, M B berat air $Moisture%, S B berat sulfur
Gambar 2.1 ilai Kalor ( Heating Value, densitas (lb/Gal dan s#esific grafity dari min#ak bakar ( fuel oil pada rentang -34 grafities
>ilai @7? dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: $1% @7? 77? C hlg $2% @7? 77? C H2hlg $!% @7? 77? C 2,& $),#7 D M% *imana : massa uap air pada produk pembakaran per satuan massa bahan bakar $karena pembakaran 72 pada bahan bakar, tidak termasuk 72= awal di bahan bakar% H2 massa hidrogen awal per satuan massa bahan bakar "ang diketahui dari hasil analisis ultimate
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
2#
hlg kalor laten 4a4orisasi uap air "ang terdapat pada produk pembakaran pada tekanan parsialn"a, (<+/lb72= atau 0/kg 72= 7 m7 2 M fraksi massa moisture pada bahan bakar b. !ensitas
*ensitas didefinisikan sebagai perbandingan massa bahan bakar terhadap 4olume bahan bakar pada suhu auan 1&E6. *ensitas diukur dengan suatu alat "ang disebut h"droeter . engetahuan mengenai densitas ini berguna untuk penghitungan kuantitatif dan pengkajian kualitas pen"alaan. Satuan densitas adalah kg/m!. c. S#ecific gra$ity Gra5itasi 6enis (s#ecific gra$itasi , %G atau disebut juga dengan kerapatan
relatif adalah suatu bilangan "ang menunjukkan perbandingan $ratio% antara massa atau kerapatan suatu Fat terhadap massa atau kerapatan suatu Fat pada kondisi standar "ang ber4olume sama "ang ditentukan sebagai patokan. +ntuk Fat air dan Fat padat, Fat patokann"a adalah air pada tekanan 1 atm, atau 1,;1! G 1; & a dan temperatur # ;6. S3Fat γ Fat/γ air S3Fat air HFat air /Hair atau
S3Fat
air
HFat air /Hair
S3 bahan bakar adalah perbandingan densitas bahan bakar terhadap densitas air pada kondisi standar $tekanan 1 atm dan temperatur # o6%. engukuran specific gra&it" biasan"a dilakukan dengan alat h"droeter . 7arga Specific (ra&it"* untuk beberapa jenis bahan bakar min"ak diberikan dalam
)abel 2.7 . arga S#ecific Gra$ity untuk beberapa 6enis bahan bakar min#ak
Bahan bakar min#ak @.*.= $Min"ak *iesel 5ingan% Min"ak
S#ecific Gra$ity ;,)& - ;,)8 ;,) - ;,& ;,)) - ;,)
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
2&
(an"ak hubungan antara S3 dengan sifat-sifat penting bahan bakar min"ak, "aitu: $i% +ntuk pembakaran pada 4olume tetap: >ilai Kalor tas, (<+/lb 22.!2; C I!.8); G $S3% 2J $ii% +ntuk pembakaran pada tekanan tetap: >ilai Kalor (awah, (<+/lb 1.'; C I!.8); G $S3% 2J D $1.!'2 G S3%
$iii% ersen hidrogen, B 2' C $1& G S3% o
o
$i4% Kalor spesifik, (<+/lb kal/gr 6
$4% Kalor laten penguapan, (<+/lb
;,!)) + [;,;;;#& 2 $t o . %] S(
11;, − [;,; 2 $t o . %] S(
5umus $i4% dan $4% sebenarn"a han"a berlaku untuk bahan bakar hidrokarbon murni tanpa adan"a ikutan. >amun karena biasan"a bahan ikutan itu jumlahn"a relatif keil, maka kedua rumus tersebut dapat digunakan untuk bahan bakar seara umum. d. iskositas
?iskositas $kekentalan% adalah kebalikan fluiditas $da"a alir%. ?iskositas suatu fluida merupakan ukuran resistansi bahan terhadap aliran. Makin tinggi 4iskositas makin sukar mengalir. ?iskositas tergantung pada suhu dan berkurang dengan naikn"a suhu.
bahan
bakar
min"ak.
?iskositas
mempengaruhi
derajat
pemanasan awal "ang diperlukan untuk handling , pen"impanan dan atomisasi "ang memuaskan. gar bahan bakar min"ak dapat dipompa, harus mempun"ai 4iskositas L 1;.;;; detik S+ $Sa"bolt +ni4ersal% dan agar dapat dikabutkan dengan tekanan udara 1 psi, harus mempun"ai 4iskositas L 1;; detik S+.
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
2'
engaruh 4iskositas pada pengabutan sangat menentukan dalam menapai pembakaran "ang sempurna dan bersih. 0ika pengabutan berlangsung dengan 4iskositas N 1;; detik S+ dan tekanan udara O 1 psi, maka butiran-butiran kabut min"ak terlalu besar sehingga susah berampur dengan udara sekunder. kibatn"a akan terbentuk gumpalan karbon "ang mengganggu burner dan dapur. ada min"ak berat , pemanasan pendahuluan harus dilakukan sebelum pengabutan. emanasan pendahuluan ini gunan"a untuk menurunkan 4iskositas sampai di bawah 1;; detik S+. 0ika min"ak terlalu kental, maka akan men"ulitkan dalam pemompaan, sulit untuk men"alakan burner , dan sulit dialirkan. tomisasi "ang jelek akam mengakibatkan terjadin"a pembentukan endapan karbon pada ujung burner atau pada dinding-dinding. =leh karena itu pemanasan awal penting untuk atomisasi "ang tepat. e. )itik #ala (Flash %oint
aktor karakterisasi ini memberi petunjuk tentang karakter dan sifat-sifat termal fraksi min"ak bumi. *i samping itu, juga men"atakan perbedaan sifat parafinitas hidrokarbon seara kuantitatif atau indeks parafinitas min"ak bumi mentah. aktor karakterisasi += $+ni4ersal =il rodut 6ompan"% din"atakan dalam K K
!
0 /
S(
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
28
<( titik didih rata-rata pada 1 atmosfer dalam o5ankine. i. 3anas Jenis
anas jenis adalah jumlah kKal "ang diperlukan untuk menaikan suhu 1 kg min"ak sebesar 1;6. Satuan panas jenis adalah kkal/kg ;6. (esarn"a ber4ariasi mulai dari ;,22 hingga ;,2) tergantung pada specific gra&it" min"ak. anas jenis menentukan berapa ban"ak steam atau energi listrik "ang digunakan untuk memanaskan min"ak ke suhu "ang dikehendaki. Min"ak ringan memiliki panas jenis "ang rendah, sedangkan min"ak "ang lebih berat memiliki panas jenis "ang lebih tinggi. 6. Kandungan Belerang (%ulfur
0umlah belerang dalam bahan bakar min"ak sangat tergantung pada sumber min"ak mentah dan pada proses pen"ulingann"a. pabila bahan bakar "ang mengandung belerang itu dibakar, maka belerang terbakar membentuk gas belerang dioksida $S=2% dan belerang trioksida $S= !%. 3as-gas ini bersifat sangat korosif dan merauni udara sekeliling. Kandungan belerang pada berbagai jenis bahan bakar min"ak ditunjukkan pada
Bahan bakar min#ak Min"ak
Kandungan Belerang (: ;,;& C ;,2 ;,;& C ;,2& ;,& C 1,) 2,; C #,; O ;,&
k. Kadar -bu
Kadar abu erat kaitann"a dengan bahan inorganik atau garam dalam bahan bakar min"ak. Kadar abu pada distilat bahan bakar diabaikan. 5esidu bahan bakar memiliki kadar abu "ang tinggi. 3aram-garam tersebut mungkin dalam bentuk sen"awa sodium, 4anadium, kalsium, magnesium, silikon, besi, alumunium, nikel, dan lain-lain. +mumn"a, kadar abu berada pada kisaran ;,;! C ;,;8 B. bu "ang berlebihan dalam bahan bakar air dapat men"ebabkan pengendapan kotoran pada peralatan pembakaran. bu memiliki pengaruh erosi pada ujung burner ,
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
2)
men"ebabkan kerusakan pada refraktori pada suhu tinggi dapat meningkatkan korosi suhu tinggi dan pen"umbatan peralatan 3 l. $esidu Karbon
5esidu karbon memberikan keenderungan pengendapan residu padat karbon pada permukaan panas, seperti burner atau injeksi nosel, bila kandungan "ang mudah menguapn"a menguap. 5esidu min"ak mengandung residu karbon sekitart 1 persen atau lebih. m. Kadar -ir
Kandungan air dalam bahan bakar min"ak dapat berada dalam bentuk bebas atau emulsi. ir "ang terkandung dalam bahan bakar men"ebabkan penurunan mutu bahan bakar karena: - Menurunkan nilai kalor dan memerlukan sejumlah kalor untuk menguapkan air "ang ada dalam bahan bakar tersebut. - Menurunkan titik n"ala - Memperlambat proses pembakaran, dan menambah 4olume gas buang. Kandungan air dalam bahan bakar dapat men"ebabkan kerusakan dibagian dalam permukaan tungku selama pembakaran terutama jika mengandung garam terlarut. ir juga dapat men"ebabkan perikan n"ala api di ujung burner , "ang dapat mematikan n"ala api, menurunkan suhu n"ala api atau memperlama pen"alaan. (atas maksimum kadar air dalam bahan bakar adalah 1 B 4olume. Karaktristik dari beberapa jenis bahan bakar min"ak ditunjukkan dalam
)abel 2. Karaktristik dari Beberap Jenis Bahan Bakar "in#ak Bahan Bakar "in#ak
Karaktristik o
Massa jenis $g/ pada 1& 6% "ala $o6%
Furnance &il ;,) C ;,& ''
'.S.H.S ;,)) C ;,) !
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
'..& ;,)& C ;,)8 ''
2
2; 1;.&;; ;,2& Sampai #,; 1,; ;,1
82 1;.';; ;,2& Sampai ;,& 1,; ;,1
1) 1;.8;; ;,1 Sampai 1,) ;,2& ;,;2
n. 3en#impanan Bahan Bakar "in#ak
kan sangat berbaha"a bila men"impan min"ak bakar dalam tong. 6ara "ang lebih baik adalah men"impann"a dalam tangki silinder, di atas maupun di bawah tanah. Min"ak bakar "ang dikirim umumn"a masih mengandung debu, air dan bahan penemar lainn"a. +kuran tangki pen"impan bahan bakar min"ak sangatlah penting. erkiraan ukuran pen"impan "ang direkomendasikan sedikitn"a untuk 1; hari konsumsi normal.
(atubara $coal % terbentuk dari endapan, batuan organik "ang terutama terdiri dari karbon, hidrogen dan oksigen. (atubara terbentuk dari tumbuhan "ang telah terkonsolidasi antara strata batuan lainn"a dan diubah oleh kombinasi pengaruh tekanan dan panas selama jutaan tahun sehingga membentuk lapisan batu bara.
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
!;
Gambar 2.1 Contoh Batu bara a. Klasifikasi Batubara
(erdasarkan jumlah karbon padat dan nilai kalori dalam basis dr"* ineral atter free 'df* maka menurut Aerican Societ" for 0esting and #aterial $S
• Batubara antrasit (+nthracite coal) (atu bara jenis antrasit mempun"ai sifat padat $dense%, batu-keras dengan warna 4et-black berkilauan $luster% metalli, mengandung antara )'B - )B karbon $6% dari beratn"a, 2-#B 4olatile material $?M%, pembakarann"a lambat, dengan batasan n"ala api biru 'pale blue flae dengan sedikit sekali asap. 5umus empiris batubara antransit kelas tinggi $ high*grade anthracite) adalah , !- H &- NS. ntrait merupakan batubara tertua jika dilihat dari sudut pandang geologi, "ang merupakan batubara keras, tersusun dari komponen utama karbon dengan sedikit kandungan bahan "ang mudah menguap dan hampir tidak berkadar air. Hard coal atau anthracite ini adalah hampir karbon sempurna.
• Bituminous coal atau batubara lunak (atu bara jenis bituminous mengandung ') C )'B karbon $6% dari beratn"a, 2;-#;B 4olatile material $?M%, mudah dibakar dan >ilai Kalorn"a $ Heating )alue% berkisar 2&,' -!2,' M0/kg. 7ampir semua batubara termasuk dalam kelompok ini. (atubara ini mempun"ai rumus empiris C1;<;0<%.
• %ub&bituminous coal mengandung sedikit karbon, kadar belerangn"a rendah dan ban"ak mengandung air $1&-!; B%, dan oleh karenan"a menjadi sumber panas "ang tidak efisien. >ilai Kalorn"a $ Heating )alue% berkisar 1,! C 2',8& M0/kg.
• 'ignite coal atau batubara co0lat adalah batubara "ang sangat lunak dengan kandungan air sekitar 8;B dari beratn"a, 4olatile materialn"a $?M% ukup tinggi dan kadar karbon $ fied carbon "ang rendah. >ilai Kalorn"a $ Heating )alue% berkisar 1#,'& C 1,! M0/kg. 0enis batubara ini tidak ekonomis untuk
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
!1
dipindah ke lokasi "ang jauh. @ignit merupakan batubara termuda dilihat dari pandangan geologi. Makin muda umur batubara, makin besar kandungan hidrogenn"a, makin rendah nisbah K) $karbon tetap/fiGed arbon% terhadap B)G $(ahan "ang bila terbakar membentuk gas atau uap seperti: 6= 2, 6=, S= 2 dan uap air. )abel 2.; Klasifikasi batubara berdasarkan tingkatn#a (-%)", 1<=1, o# cit >ood et al. 1<= *i?ed Carbon, : , dmmf Class
Group
9 nthraiteQ
99 (ituminous
olatile "atter @imits, : , dmmf
Aual or Aual Aual or @ess Greater Greater or @ess Greater )han )han )han )han )han
1.Meta-anthraite
)
2.nthraite
2
)
2
)
!.Semianthraite6
)'
2
)
1#
1. @ow 4olatile bituminous oal
8)
)'
1#
22
2.Medium 4olatilebituminous oal
'
8)
22
!1
'
!1
!.7igh 4olatile A bituminous oal
Calorific alue @imits B)+ per pound (mmmf @ess )han
2
nonagglomerating
1#;;; *
ommonl"
#.7igh 4olatile / bituminous oal
1!;;; *
1#;;;
&.7igh 4olatile C bituminous oal
11&;;
1!;;;
1;&;;
11&;;
1.Subbituminous A oal
1;&;;
11&;;
999 2.Subbituminous / oal Subbituminous !.Subbituminous C oal
&;;
1;&;;
)!;;
&;;
'!;;
)!;;
1.@ignite
-gglomerating Character
agglomerating QQ
agglomerating
nonagglomerating
9?. @ignite 1.@ignite (
'!;;
b. Kualitas dan -nalisis Batubara Kualitas batubara
adalah sifat
fisika dan kimia dari
batubara
"ang
mempengaruhi potensi kegunaann"a. Sifat fisik batubara termasuk nilai kalor, kadar air, bahan mudah menguap dan abu. Sifat kimia batubara tergantung dari kandungan berbagai bahan kimia seperti karbon, hidrogen, oksigen, dan sulfur. Komposisi kimiawi batubara berpengaruh kuat pada da"a pembakarann"a.
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
!2
Kualitas batubara ditentukan oleh maseral dan ineral atter pen"usunn"a, serta oleh derajat coalification $rank %. Kualitas batubara ini diperlukan untuk menentukan apakah batubara tersebut menguntungkan untuk ditambang selain dilihat dari besarn"a adangan batubara di daerah penelitian. arameter-parameter "ang dijadikan ukuran untuk menentukan kualitas batubara adalah:
• Fi1ed carbon2 .ied carbon $karbon tetap/karbon padat% merupakan karbon dalam keadaan bebas, tidak bergabung dengan elemen lain. .ied carbon tertinggal dalam tungku setelah bahan "ang mudah menguap didistilasi. Kandungan utama fied carbon adalah karbon, tetapi juga mengandung hidrogen, oksigen, sulfur dan nitrogen "ang tidak terbawa gas. .ied carbon memberikan perkiraan kasar terhadap nilai kalor batubara.
• Bahan #ang mudah menguap ($olatile matter)2 (agian dari batu bara selain uap air "ang hilang ketika sampel dipanaskan tanpa oksigen pada tes standar $sekitar &; E6 selama 8 menit%. (ahan "ang mudah menguap merupakan bahan batubara "ang mudah terbakar dan menguap apabila batubara dipanaskan. (ahan "ang mudah menguap dalam batubara adalah metan, hidrokarbon, h"drogen, karbon monoksida, dan gas-gas "ang tidak mudah terbakar, seperti karbon dioksida dan nitrogen. (ahan "ang mudah menguap merupakan indeks dari kandungam bahan bakar bentuk gas didalam batubara. Kandungan bahan "ang mudah menguap "ang tinggi menunjukkan mudahn"a pen"alaan bahan bakar. Kandungan bahan "ang mudah menguap dalam batubara berkisar antara 2; hingga !&B. (ahan "ang mudah menguap: a. (erbanding lurus dengan peningkatan panjang n"ala api, dan membantu dalam memudahkan pen"alaan batubara b. Mengatur batas minimum pada tinggi dan 4olum tungku . Mempengaruhi kebutuhan udara sekunder dan aspek-aspek distribusi d. Mempengaruhi kebutuhan min"ak bakar sekunder
• Kadar abu
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
!!
bu merupakan bahan anorganik atau residu/kotoran "ang tidak terbakar. Kandungann"a berkisar antara &B hingga #;B. Kadar abu dalam batubara berpengaruh terhadap: a. Mengurangi kapasitas handling dan pembakaran b. Meningkatkan bia"a handling . Mempengaruhi efisiensi pembakaran dan efisiensi boiler d. Men"ebabkan penggumpalan dan pen"umbatan
• Kadar -ir Kandungan air dalam batubara harus diangkut, di-handling dan disimpan bersama-sama batubara. Kadar air akan menurunkan kandungan panas per kg batubara, dan kandungann"a berkisar antara ;,& hingga 1;B. Kadar air dalam batu bara berpengaruh terhadap: a. Meningkatkan kehilangan panas, karena penguapan dan pemanasan berlebih dari uap b. Membantu pengikatan partikel halus pada tingkatan tertentu . Membantu radiasi transfer panas
• Kadar Belerang (%ulfur Sulfur $belerang% termasuk bahan "ang dapat dibakar sehingga berpengaruh dalam menentukan nilai kalor batubara. Kandungan belerang dalam batubara pada umumn"a berkisar pada ;,& hingga ;,)B. Kandungan belerang dalam batubara berakibat: a. Mempengaruhi
keenderungan
terjadin"a
penggumpalan
dan
pen"umbatan b. Mengakibatkan korosi $bergabung dengan air membentuk asam% pada erobong dan peralatan lain seperti pemanas udara dan econoi5ers . Membatasi suhu gas buang "ang keluar +ntuk menentukan kualitas batubara, dilakukan analisa kimia pada batubara "aitu nalisis proksimat (#ro1imate) dan analisis ultimat (ultimate). -nalisis proksimat
nalisis proksimat dilakukan untuk menentukan kadar air $oisture%, Fat terbang/bahan "ang mudah menguap $&olatile atter % , karbon padat $ fied carbon%, dan kadar abu $ash%.
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
!#
• 3enentuan kadar air enentuan kadar air dilakukan dengan menempatkan sampel bahan baku batubara "ang dihaluskan sampai ukuran 2;;-mikron dalam krus terbuka, kemudian dipanaskan dalam o4en pada suhu 1;) R 2 o6 dan diberi penutup. Sampel kemudian didinginkan hingga suhu kamar dan ditimbang lagi. Kehilangan berat merupakan kadar airn"a.
• 3engukuran bahan #ang mudah menguap ($olatile matter) Sampel batubara halus "ang masih baru ditimbang, ditempatkan pada krus tertutup, kemudian dipanaskan dalam tungku pada suhu ;; R 1& o6. Sampel kemudian didinginkan dan ditimbang. Sisan"a berupa kokas $ fied carbon dan abu%.
• 3engukuran karbon dan abu
nalisis ultimat dilakukan untuk menganalisis seluruh elemen komponen batubara atau menentukan kandungan unsur kimia pada batubara seperti : karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, unsur tambahan dan juga unsur jar ang. nalisis ultiate harus dilakukan di laboratorium dengan peralatan "ang lengkap oleh ahli kimia "ang terampil. sedangkan analisis proiate dapat dilakukan dengan peralatan "ang sederhana. 7asil analisis proksimat dan ultimat sampel batubara dari negara 9ndia, 9ndonesia dan frika Selatan ditunjukkan dalam
Kadar ir bu )olatile atter .ied carbon
4ndia
&,) !),'! 2;,8; !#,'
%ampel Batubara 4ndonesia -frika %elatan
,#! 1!, 2,8 #',8
),' 18 2!,2) &1,22
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
!&
)abel 2.< asil -nalisis 3ltimate Beberapa %ampel Batubara 3arameter (:
Kadar ir (ahan Mineral $1,1G bu% Karbon 7idrogen >itrogen Sulfur =ksigen
%ampel Batubara 4ndia 4ndonesia
&,) !),'! #1,11 2,8' 1,22 ;,#1 ,)
,#! 1!, &),' #,1' 1,;2 ;,&' 11,))
7ubungan antara hasil analisis ultimet dengan analisis proksimet ditunjukkan dalam
: C D ,
c. 3enentuan ilai Kalor
>ilai Kalor $77?% batubara dapat dihitung dengan menggunakan persamaan *ulong, "aitu:
>ilai Kalor $36?/77?% beberapa sampel batubara diberikan pada
)abel 2.11. ilai Kalor ( Beberapa %ampel Batubara %ampel Batubara 3arameter
@ignit (dasar kering
4ndia
4ndonesia
-frika %elatan
GC (kKal/kg
7.'
7.
'.'
.
GC @ignit pada 4as recei$ed based5 adalah 2.' F .
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
!'
2.1. Bahan Bakar Gas
(ahan bakar gas merupakan bahan bakar ideal karena han"a memerlukan sedikit handling dan sistim burner n"a sangat sederhana serta hampir bebas perawatan dalam penggunaann"a. a. Jenis&6enis Bahan Bakar Gas 0enis-jenis bahan bakar gas adalah: $1% (ahan bakar gas "ang seara alami didapatkan dari alam:
− 3as alam − Metan dari penambangan batubara $2% (ahan bakar gas "ang terbuat dari bahan bakar padat
− 3as "ang terbentuk dari batubara − 3as "ang terbentuk dari limbah dan biomassa − *ari proses industri lainn"a $gas blast furnace% $!%
(ahan bakar gas "ang terbuat dari min"ak bumi
− 3as etroleum 6air $@3% − 3as hasil pen"ulingan − 3as dari gasifikasi min"ak $#%
3as-gas dari proses fermentasi
(ahan bakar bentuk gas "ang ban"ak digunakan adalah gas petroleum air $@3%, gas alam, gas hasil produksi, gas blast furnace, gas dari pembuatan kokas, dll. >ilai kalor bahan bakar gas din"atakan dalam Kilokalori per normal meter kubik $kKal/>m !% ditentukan pada suhu normal $2; ;6% dan tekanan normal $8'; mm 7g%.
• @3G ( 'i6uid %etroleum Gas @3 terdiri dari ampuran utama propan dan (utan dengan sedikit persentase hidrokarbon tidak jenuh $propilen dan butilene% dan beberapa fraksi 6 2 "ang lebih ringan dan 6 & "ang lebih berat. Sen"awa "ang terdapat dalam @3 adalah propan $6!7)%, ropilen $6!7'%, normal dan iso-butan $6#71;% dan (utilen $6#7) %. @3 merupakan ampuran dari hidrokarbon tersebut "ang berbentuk gas pada tekanan atmosfir, namun dapat diembunkan menjadi bentuk air pada suhu normal dengan tekanan "ang ukup besar. Palaupun
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
!8
digunakan sebagai gas, namun untuk ken"amanan dan kemudahann"a, disimpan dan ditransport dalam bentuk air dengan tekanan tertentu. @3 air, jika menguap membentuk gas dengan 4olum sekitar 2&; kali. +ap @3 lebih berat dari udara: butan beratn"a sekitar dua kali berat udara dan propan sekitar satu setengah kali berat udara. Sehingga, uap dapat mengalir didekat permukaan tanah dan turun hingga ke tingkat "ang paling rendah dari lingkungan dan dapat terbakar pada jarak tertentu dari sumber kebooran. ada udara "ang tenang, uap akan tersebar seara perlahan. @olosn"a gas air walaupun dalam jumlah sedikit, dapat meningkatkan ampuran perbandingan 4olum uap/udara sehingga dapat men"ebabkan baha"a. +ntuk membantu pendeteksian kebooran ke atmosfir, @3 biasan"a ditambah bahan "ang berbau. 7arus tersedia 4entilasi "ang memadai didekat permukaan tanah pada tempat pen"impanan @3. Karena alasan diatas, sebaikn"a tidak men"impan silinder @3 di gudang bawah tanah atau lantai bawah tanah "ang tidak memiliki 4entilasi udara.
• Gas -lam 3as alam tersusun dari parafin hidrokarbon, khususn"a gas metana berampur dengan nitrogen > 2 dan karbon dioksida 6= 2. Metana merupakan kandungan utama gas alam "ang menapai jumlah sekitar &B dari 4olum total. Komponen lainn"a adalah: tana, ropana, entana, >itrogen, Karbon *ioksida, dan gas-gas lainn"a dalam jumlah keil. Sulfur dalam jumlah "ang sangat sedikit juga ada. Karena metan merupakan komponen terbesar dari gas alam, biasan"a sifat metan digunakan untuk membandingkan sifat-sifat gas alam terhadap bahan bakar lainn"a. 3as alam merupakan bahan bakar dengan nilai kalor tinggi "ang tidak memerlukan fasilitas pen"impanan. 3as ini berampur dengan udara dan tidak menghasilkan asap atau jelaga. 3as ini tidak juga mengandung sulfur, lebih ringan dari udara dan men"ebar ke udara dengan mudahn"a jika terjadi kebooran. erbandingan kadar karbon dalam min"ak bakar, batubara dan gas alam diberikan dalam
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
!)
+nsur&unsur
Karbon 7idrogen Sulfur =ksigen >itrogen bu ir
Gas -lam
Batubara
"in#ak Bakar
8# 2& Sedikit ;,8& -
#1,11 2,8' ;,#1 ,) 1,22 !),'! &,)
)# 12 ! 1 Sedikit Sedikit Sedikit
• -setilin 3as asetilin digunakan dalam pengelasan dan pemotongan logam "ang memerlukan temperatur n"ala "ang tinggi. 3as asetilin dapat membentuk asetilida "ang eksplosif jika diampur dengan tembaga $6u%, terlebih-lebih dengan udara.
• Blast Furnance Gas 3as ini merupakan hasil samping peleburan bijih besi dengan kokas dan udara panas di dalam blast furnance
• Gas -ir Biru ( Blue 7ater Gas 3as ini dibuat dari reaksi antara uap $steam% dengan karbon padat "ang dipanasi pada temperatur tinggi. Merupakan ampuran antara gas 7 2 dan gas 6=.
• Gas Batubara 3as batubara disebut juga gas kota, dibuat dari distilasi destruktif batubara dalam retori tertutup dengan pemanasan tinggi. b. %ifat&sifat Bahan Bakar Gas Karena hampir semua peralatan pembakaran gas tidak dapat menggunakan kandungan panas dari uap air, maka perhatian terhadap nilai kalor kotor $36?% menjadi kurang. (ahan bakar gas harus dibandingkan berdasarkan nilai kalor netto $>6?%. 7al ini benar terutama untuk gas alam, dimana kandungan hidrogen akan meningkat tinggi karena adan"a reaksi pembentukan air selama pembakaran. Sifat-sifat fisik dan kimia berbagai bahan bakar gas diberikan dalam
"assa Jenis $elatif
ilai Kalor etto, C (kkal/m
3erbandingan udara/bahan bakar F m udara
%uhu #ala -pi (oC
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
Kecepatan #ala -pi (m/s
!
terhadap m bahan bakar
Gas -lam 3ropana Butana
2.2
;,' 1,&2 1,)'
.!&; 22.2;; 2).&;;
1; 2& !2
1.&# 1.'8 1.8!
;,2; ;,#'; ;,)8;
Pr!ses "embaaran embakaran adalah kon4ersi suatu Fat "ang disebut sen"awa kimia bahan bakar melalui proses oksidasi menjadi produk pembakaran disertai pelepasan energi $energi panas atau energi panas dan aha"a%. roses pembakaran adalah reaksi kimia eksotermis, "aitu reaksi kimia "ang menghasilkan energi. Seara sederhana proses pembakaran dapat dituliskan sebagai berikut: Bahan bakar E Hat pengoksidasi (oksidator
produk pembakaran E energi
(ahan bakar dan oksidator adalah reaktan, "aitu Fat "ang ada sebelum reaksi $proses pembakaran% berlangsung. nergi kimia $energi termal% "ang dihasilkan dari proses pembakaran pembakaran,
ditransfer atau
$dilepaskan%
tetap
dalam
ke
bentuk
lingkungan produk
sekitar
bersama
produk
dalam
bentuk
pembakaran
peningkatan energi internal $suhu%, atau kombinasi keduan"a. *alam proses pembakaran bahan bakar, Fat pengoksidasin"a adalah oksigen dari udara atau oksigen murni. 5eaksi kimia pembakaran akan bisa terjadi apabila ada bahan bakar $ fuel %, oksigen =2 sebagai oksidator $oidant % , dan temperaturn"a lebih besar dari titik n"ala $ignition teperature%. 2.2.1 Karakterisasi +dara untuk 3erhitungan 3embakaran
+dara merupakan ampuran dalam persentase 4olume "aitu sekitar 21B oksigen, 8)B nitrogen, dan 1B unsur-unsur lainn"a. +ntuk perhitungan pembakaran, persentase "ang umumn"a digunakan adalah oksigen 21B dan nitrogen 8B. 0adi untuk setiap 21 mol oksigen "ang mengoksidasi bahan bakar, ada juga 8 mol nitrogen "ang terlibat. =leh karena itu, setiap 1 mol oksigen di udara, terdapat 8/21 !,8' mol nitrogen. ada suhu kamar, oksigen dan nitrogen dalam bentuk molekul diatomik "aitu = 2 dan >2. (iasan"a diasumsikan bahwa nitrogen dari udara tidak bere aksi dalam proses pembakaran sehingga nitrogen dalam bentuk murni juga terdapat dalam produk pembakaran. >amun demikian, pada suhu "ang sangat tinggi dalam proses
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
#;
pembakaran, maka ada sejumlah keil nitrogen bereaksi dengan oksigen membentuk oksida-oksida nitrogen, biasan"a disebut >=G. Palaupun jumlahn"a keil, namun polutan ini memegang peran penting dalam pembentukan kabut asap $smog%. (erat molekul suatu sen"awa atau ampuran adalah massa 1 mol dari substansi. (erat molekul rata-rata, #* dari ampuran, adalah jumlah fraksi mol komponen pen"usun ampuran tersebut. 0adi berat molekul udara, M udara * adalah jumlah berat molekul oksigen dan nitrogen "aitu: M udara D "assa udara/"ol udara D ("ol 2/"ol udara("assa 2/"ol 2 E ("ol 02/"ol udara("assa 02/"ol 02 atau M udara D ,;< M nitrogen E ,21 M o0sigen D ,;< (!8) E ,21 (9!) : !88-
Massa fraksi oksigen dan nitrogen adalah: mf oksigen $;.21%$!2%/2).)# ;.2!!, or 2!.!B mf nitrogen $;.8%$2)%/2).)# ;.8'8, or 8',8B
2.2.2 %toikiometri 3embakaran
6ontoh reaksi kimia: 16
D
1=2
16=2
5eaksi di atas dapat diinterpretasikan sebagai: 1. 1 kmol 6 ditambah 1 kmol =2 menghasilkan 1 kmol 6=2 → tidak berlaku kekekalan mol. 2. $1 × # 6% kg 6 bereaksi dengan $ 1 × # =2% kg = 2 menghasilkan $ 1 × # 6=2% kg 6= 2 di mana # i adalah berat molekul unsur i. *engan kata lain 12 kg 6 bereaksi dengan !2 kg = 2 menghasilkan ## kg 6= 2 → berlaku hukum kekekalan massa ada praktekn"a proses pembakaran tidak dilakukan dengan oksigen murni tetapi dengan menggunakan udara sebagai oksidator karena sifatn"a "ang tersedia dimanamana dan murah. erbandingan massa udara dan massa bahan bakar $ ≡udara/ bb% disebut sebagai air*fuel ratio -*$ . ,ontoh Soal !.
Satu kmol bensin dibakar dengan 2; kmol udara kering. pabila diasumsikan produk pembakaran terdiri dari 6=2, 72=, =2, >2 tentukan jumlah mol dari tiap gas dan
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
#1
5-n"a. +dara kering di sini didefinisikan sebagai udara dengan komposisi 21B = 2 dan 8B >2. Solusi
5eaksi pembakaran "ang terjadi adalah sempurna tetapi bukan reaksi stoikiometris. ersamaan reaksi "ang terjadi adalah: 6)71) D
2;$=2 D !,8'>2%
1 6=2
D y72= D ; =2
D < >2
*ari hukum kekekalan massa $atau kekekalan jumlah atom% maka 6 : )
→ )
7 : 1)2 "
→ "
= : #;2 D " D 2 5
→ 5 8,&
>2 : $2;%$!,8'%
→ 8&,2
*ari sini maka persamaan lengkapn"a adalah: 6)71) D
2;$=2 D !,8'> 2%
)6=2
D
72=
D
8,&=2
D
8&,2>2
5asio massa udara dan bahan bakar 5 5 = =
udara bb 2; × $1 + !,8'% × 2 1 × $) × 12 + 1) × 1%
=
2#,2 kg - udara/kg - bb
2.2. 3roses 3embakaran, )eori dan -ktualn#a
Seara teoritis proses pembakaran akan terjadi seara komplet/sempurna apabila jumlah udara "ang tersedia adalah ukup sehingga,
• semua unsur karbon 6 berubah menjadi karbon dioksida 6= 2 • semua unsur hidrogen 7 berubah menjadi air 7 2=
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
#2
pembakaran sempurna. +ntuk mengetahui seberapa ban"ak udara "ang digunakan dibandingkan dengan jumlah udara stoikiometris didefinisikan: B udara teoritis =
udara,a udara, s
×
1;;B
dimana a dan s masing-masing menunjukkan kondisi aktual dan stoikiometris/ teoritis. Sedangkan pembakaran stoikiometris/teoritis adalah apabila bahan bakar terbakar sempurna dengan jumlah udara minimum. +dara minimum ini disebut sebagai udara teori. *engan kata lain pembakaran stoikiometris adalah pembakaran sempurna tanpa
men"isakan oksigen =2 dalam produk pembakarann"a. embakaran
stoikiometris dengan bahan bakar hidrokarbon 6 α7β=γ dapat din"atakan seara umum sebagai: C 0 E $α +
β #
−
γ 2
% (02 E ,;2
C02 E /220 E ,; $α +
β #
−
γ 2
% 2
ada praktekn"a dengan tujuan $a% menjamin sempurnan"a proses pembakaran dan/atau $b% menurunkan temperatur pembakaran, maka disuplai udara dalam jumlah "ang berlebih. Kelebihan jumlah udara dibandingkan jumlah udara teori disebut udara lebih $ecess air % dimana, B udara lebih
=
udara,a
−
udara,s
udara,s
*ari definisi ini maka hubungan antara B udara lebih dan B udara teori, 2 B udara lebih
=
$1;; + 2 % Budara teori
,ontoh Soal !.!
tana $627'% di bakar dengan 2;B udara lebih. pabila pembakaran berlangsung sempurna dan dilakukan pada 1;; ka, tentukan $a% 5, $b% titik embun produkn"a. Solusi
tana $627'% → dari rumus umum α2, β', γ ;, sehingga persamaan kimia untuk reaksi stoikiometrisn"a: 627' D !,&$=2 D !,8'> 2%
26=2 D !72= D $!,&×!,8'%>2
Karena udara lebih sama dengan 2;B $udara aktual 12:% maka persamaan kimia menjadi,
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
#!
627' D $!,& × 12:%$=2 D !,8'>2%
26=2 D !7 2= D
$!,&× 2;B%=2 D
$!,&×!,8'×12:%>2 $a% 5asio massa udara dan bahan bakar: 5 = =
udara bb !,& × 12;B × $1 + !,8'% × 2 1 × $2 × 12 + ' × 1%
=
1,! kg - udara/kg - bb
$b%
=
=
N & N prod p prod
N & N prod
=
1;; ×
! $2 + ! + ;,8 + 1&,8%
=
1!,' ka
*ari
= 0 sat A 1!,' k/a = &2,!°C
,ontoh Soal !.9
(ensin dibakar dengan udara kering. nalisa 4olumetris secara kering terhadap produk
pembakaran
menunjukkan
6= 2
$1;,;2B%,
=2$&,'2B%,
6=$;,))B%,
>2$)!,#)B%.
*i sini "ang perlu diperhatikan adalah analisa secara kering tidak bisa mendeteksi air $tetapi tidak berarti air tidak terbentuk %. *engan asumsi produk pembakaran adalah gas ideal maka perbandingan 4olume menunjukkan
perbandingan jumlah mol. Sehingga apabila
jumlah produk
pembakaran "ang terdeteksi ada 1;; kmol maka, 1 6)71) D a$=2 D !,8'>2%
1;,;26=2 D ;,))6= D &,'2= 2 D )!,#)> 2 D b72=
*ari kekekalan jumlah atom sebelum dan sesudah reaksi didapatkan: a22,2,
1 1,!',
b12,2#
1,6)71) D 22,2$=2 D !,8'>2%
sehingga, 1;,;26= 2 D ;,))6= D &,'2= 2 D )!,#)> 2 D 12,2772=
ersamaan reaksi pembakaran untuk 1 kmol bahan bakar:
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
##
6)71) D 1',!2$=2 D !,8'> 2%
8,!86= 2 D ;,'&6= D #,1!=2 D '1,!)> 2 D 72=
$a% 5asio massa udara dan bahan bakar: 5 = =
udara bb 1',!2 × $1 + !,8'% × 2 1 × $) × 12 + 1) × 1%
=
1,8' kg - udara/kg - bb
$b% +ntuk mengetahui berapa B udara teori "ang dipakai harus ditentukan reaksi stoikiometrisn"a untuk dibandingkan. Karena 6 )71) maka dari rumus umum α),
β1), γ ; maka rumus reaksi stoikiometrisn"a adalah: 6)71) D 12,&$=2 D !,8'>2%
)6=2 D 72= D 12,&×!,8' >2
sehingga:
Budara teori =
udara,a
=
udara,s
1',!2 × #,8' × 2 12,& × #,8' × 2
=
1!1B
$% +ntuk setiap 1 kmol bahan bakar maka terjadi produk )2,&!kmol dengan kmoln"a adalah air. ada 2& °6 tekanan jenuhn"a adalah !,1'ka sehingga apabila pada kondisi ini air "ang mengalami kondensasi adalah N w maka, N & N prod, gas − N w )2,&! − N w N w
=
=
=
p 4 p prod !,1' 1;; ',& kmol
raksi 72= "ang mengalami kondensasi adalah N 1N 72=,tot ',&/ 8!B.
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
#&
(erdasarkan pembahasan pada bab ini, dapat dirangkum hal-hal berikut: 1. da tiga jenis bahan bakar "ang umum digunakan "aitu bahan bakar 6air, bahan bakar padat dan bahan bakar gas. 2. Sifat-sifat bahan bakar "ang perlu diketahui "aitu: nilai kalor, densitas, spesifik gra4itasi, 4iskositas, titik n"ala, titik bakar, titik tuang , panas jenis, kandungan sulfur, kadar abu, residu karbon dan kadar air. !. (atubara dapat diklasifikasikan atas # kelompok, "aitu: anthracite bituminous sub* bituminous dan lignite.
#. da dua ara "ang dilakukan untuk menganalisis kualitas batubara, "aitu analisis proksimat dan analisis ultimat . -nalisis proksimat dilakukan untuk menentukan
kadar air $oisture%, Fat terbang/bahan "ang mudah menguap $ &olatile atter %, karbon padat $ fied carbon%, dan kadar abu $ash%. Sedangkan -nalisis ultimat dilakukan untuk menganalisis seluruh elemen komponen batubara atau menentukan kandungan unsur kimia pada batubara seperti: karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, unsur tambahan dan juga unsur jarang. &. >ilai kalor atau heating &alue atau calorific &alue atau kalor pembakaran bahan bakar adalah kalor "ang dihasilkan oleh pembakaran sempurna 1 kilogram atau 1 satuan berat bahan bakar padat atau air atau 1 m ! atau 1 satuan 4olume bahan bakar gas, pada keadaan standar. >ilai kalor bahan bakar merupakan ukuran panas atau energi "ang dihasilkan oleh bahan bakar dan diukur sebagai >ilai Kalor Kotor '(ross Calorific )alue* (C) atau >ilai Kalor tas 'Higher Heating )alue* HH) dan >ilai Kalor >etto $ Nett Calorific )alue* NC) atau >ilai Kalor (awah $ ,oer Heating
H. Widodo PS, S.T.,M.T: Mesin Konversi Energi – D IV
#'
