Materi 7 Kimia Teknik [PDF]

Citation preview

Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Reaksi Dasar Proses Pembakaran Reaksi Pembakaran  komponen sebelum reaksi: reaktan (bahan bakar + oksidator)  komponen setelah reaksi: produk Bahan bakar + oksidator Komponen Utama Bahan Bakar Fosil







karbon (C)



Produk Reaksi Dasar



C  O2  CO2







hidrogen (H)



1 H 2  O2  H 2 O 2







sulfur (S)



S  O2  SO2



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Reaksi Dasar Proses Pembakaran Reaksi Dasar



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



1 H 2  O2  H 2 O 2 koefisien stoikiometri



Pembakaran Karbon Tidak Sempurna



1 C  O 2  CO 2 Karbonmonoksida dalam produk pembakaran  pemakaian energi yang tidak efisien  merupakan polutan di udara.



(1.4)



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Reaksi Dasar Proses Pembakaran 3 HAL YANG PERLU UNTUK DIKONTROL OPTIMASI PEMBAKARAN:  TEMPERATUR YANG CUKUP TINGGI UNTUK MENYALAKAN MEMPERTAHANKAN PENYELAAN BAHAN BAKAR



DAN







TURBULEN ATAU PENCAMPURAN YANG BAIK ANTARA BAHAN BAKAR DAN OKSIGEN







WAKTU YANG CUKUP UNTUK PEMBAKARAN SEMPURNA.







UMUMNYA BAHAN BAKAR YANG DIGUNAKAN SEPERTI GAS ALAM DAN PROPANA TERDIRI DARI KARBON DAN HIDROGEN. UAP AIR ADALAH HASIL DARI PEMBAKARAN HIDROGEN. UAP AIR INI MEMINDAHKAN PANAS DARI ASAP DENGAN KATA LAIN ADANYA PERPINDAHAN PANAS.



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Reaksi Dasar Proses Pembakaran OXYGEN IS THE KEY TO COMBUSTION



Tipe Reaksi Pembakaran



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Reaksi Dasar Proses Pembakaran Contoh 1.1:



Tentukan reaksi stoikiometri pembakaran metana (CH4) dan heptana (C7H16) Penyelesaian:



Pembakaran metana (CH4):



CH4  2O2  CO2  2H2 O Pembakaran heptana (C7H16):



C7 H16 + xO2  7CO2 + 8H2 O Dari kesetimbangan oksigen 2x = 14 + 8 = 22  x = 11 Maka :



C7 H16 + 11O2  7CO2 + 8H2 O



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Reaksi Dasar Proses Pembakaran Tentukan reaksi stoikiometri pembakaran berikut ini; 1. 2. 3. 4. 5. 6.



CH3OH + O2  CO2 + H2O C4H10 + O2  CO2 + H2O C3H8 + O2  CO2 + H2O C2H6 + O2  CO2 + H2O 10% C4H10 + 90%C3H8 + O2  CO2 + H2O 5%CH3OH + 95% C12H26 + O2  CO2 + H2O



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Udara Teoritis Komposisi Udara Kering



 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



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



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 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



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Udara Teoritis Contoh: Tentukan reaksi stoikiometri pembakaran metana (CH4) dengan menggunakan udara sebagai oksidatornya



Penyelesaian: Pembakaran methana CH4 dengan udara kering:



CH4 + 2  O2 + 3,76N 2   CO2 + 2H 2 O + (2)(3,76)N 2 Reaksi stoikiometri diatas menunjukkani diperlukan 2(1+3,76) = 9,52 mol udara untuk membakar 1 mol metana dengan sempurna.



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Reaksi Dasar Proses Pembakaran Tentukan reaksi stoikiometri pembakaran berikut ini dengan menggunakan udara sebagai oksidatornya 1. 2. 3. 4. 5. 6.



CH3OH + (O2+3,76N2)  CO2 + H2O + N2 C4H10 + (O2+3,76N2)  CO2 + H2O + N2 C3H8 + (O2+3,76N2)  CO2 + H2O + N2 C2H6 + (O2+3,76N2)  CO2 + H2O + N2 10% C4H10 + 90%C3H8 + (O2+3,76N2)  CO2 + H2O + N2 5%CH3OH + 95% C12H26 + (O2+3,76N2)  CO2 + H2O + N2



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Udara Lebih



Latar Belakang dan Tujuan 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



Definisi Udara Lebih



Udara yang diberikan untuk pembakaran dalam jumlah yang lebih besar dari jumlah teoritis yang dibutuhkan bahan bakar  mua % udara teoritis =   mus



  N ua 100     Nus



 100 



(1.8a-b)



% udara lebih = % udara teoritis  100 m dan N menunjukkan massa dan mol, sedangkan indeks ua dan us menunjukkan udara aktual dan udara stoikiometris



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



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: CH4  (1,1)  2  O2 + 3,76N2   CO2  2H2 O  0, 2O2  (1,1)  (2)(3,76)N 2



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Udara Lebih



Penentuan Udara Lebih dari Komposisi Produk 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:



 % udara lebih =   NN 







 % udara lebih =   N 



2







  2



N  O2



prod







/ 3, 76  N O



  O2



prod



prod



prod



2







 



/ 3, 76   O



2



prod



prod



  100  



(1.9)



  100  



(1.10)



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



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



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:



 O  0, 05 ;  CO  0, 09 ; dan  N  0,86 (dari perbedaan) 2



2



2



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%



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Rasio Udara-Bahan Bakar Rasio Udara-Bahan Bakar Rasio 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



mu M u Nu AF   mbb M bb N bb



(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



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



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



mbb M bb N bb FA   mu M u Nu Rasio bahan bakar udara, FA sering juga disimbulkan dengan f.



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Rasio Udara-Bahan Bakar Contoh: Tentukan perbandingan udara bahan bakar pada pembakaran sempurna dari metana dengan udara teoritis.



Penyelesaian: Reaksi pembakaran:



CH4 + 2  O2 + 3,76N 2   CO2 + 2H 2 O + (2)(3,76)N 2 Maka Rasio Udara-Bahan Bakar:



 28,9kg / kmol  2(1  3, 76)kmol  mu M u Nu AF    mCH4 M CH4 N CH4 16kg / kmol 1kmol   17, 2 kg udara/kg CH 4



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Rasio Ekivalen Rasio Ekivalen (Equivalence Ratio) 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



AFs FAa   AFa FAs   > 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



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Rasio Ekivalen Hubungan Rasio Ekivalen dengan Udara Lebih Dengan menggunakan rasio ekivalen, persen udara teoritis atau persen udara lebih dapat ditentukan sebagai berikut:



100 % udara teoritis =  % udara lebih =



100 1-  



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Rasio Ekivalen Contoh: 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, mua  15,9 kg/s Ditanya:  rasio udara-bahan bakar stoikiometris  AF dan laju aliran bahan-bakar, mbba



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Rasio Ekivalen Penyelesaian (lanjutan): Dari persamaan umum reaksi pembakaran (1.7), maka reaksi pembakaran proses di atas adalah: 4,32  4,32    4,32   C1,16 H 4,32  1,16  O +3,76N  1,16 CO  H O  3, 76 1,16    2 2  2  2  2   N2 4 4       C1,16 H 4,32  2, 24  O 2 +3,76N 2   1,16CO2  2,16H 2 O  8, 42N 2



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:



 mu   M u N u  (28,9 kg/kmol)(2,24(1+3,76) kmol) AFs      16,89    (18,24 kg/kmol)(1 kmol)  mbb  s  M bb N bb  s



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Rasio Ekivalen Penyelesaian (lanjutan):



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



AFa 



AFs 16,89   59, 06  0, 286



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:



AFa 



mua m 15,9 kg/s  mbba  ua   0, 269 kg/s mbba AFa 59, 06



Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University



Rasio Ekivalen Kerjakan Soal Latihan Berikut : 1.



Sebuah mesin diesel menggunakan bahan bakar diesel C12H26 dicampur dengan ethanol C2H5OH sebesar 10%, beroperasi dengan laju aliran massa udara sebesar 14,6 kg/s. Tentukan rasio udara bahan bakar, dan laju aliran massa bahan bakar jika proses pada kondisi lean combustion dengan rasio ekuivalensi 0,289.