Teknik P & G - 2 - Ghurri [PDF]

Citation preview

Konsep Dasar Pembakaran
Pembakaran (combustion): proses oksidasi bahan bakar yang berlangsung cepat.
Produk pembakaran berupa panas, nyala api, dan gas buang/asap.
Pembakaran sempurna (complete combustion): oksidasi bahan bakar (unsur-unsur dalam bahan bakar) secara total (dibutuhkan suplai oksigen dalam jumlah yang cukup).
Udara mengandung: 20.9% oksigen, 79% nitrogen dan gas lain.
Nitrogen: (a) mengurangi efisiensi pembakaran; (b) membentuk NOx pada temperatur tinggi.
Unsur Carbon (dalam bahan bakar) membentuk (a) CO2; (b) CO yg berdampak produk panas yang lebih kecil (CO merupakan salah satu produk incomplete combustion, pembakaran tak sempurna). 2



Konsep Dasar Pembakaran
Pembakaran yang sempurna adalah pembakaran yang mampu melepas seluruh panas yang ada dalam ikatan kimia bahan bakar.
Untuk memaksimalkan dilakukan kontrol 3T:



dan



mengoptimalkan



pembakaran,



1) Temperature  Temperatur cukup tinggi untuk memulai dan menjaga penyalaan bahan bakar; 2) Turbulence  pencampuran yang intensif dan ‘mendalam’ antara bahan bakar dan oksigen; 3) Time  Cukup waktu untuk mencapai pembakaran sempurna.
Bahan bakar yang umum digunakan mengandung Carbon dan Hidrogen.
Uap air merupakan produk samping pembakaran bahan bakar yang mengandung hidrogen, dan hal ini mengurangi panas hasil pembakaran. 3



Konsep Dasar Pembakaran Oksigen merupakan faktor terpenting dalam proses pembakaran.








Terlalu banyak atau terlalu sedikit bahan bakar dengan udara yang tersedia bisa menghasilkan ‘unburned fuel’ (BB yang tidak terbakar) dan pembentukan CO.








Jumlah udara yang sangat spesifik dibutuhkan untuk mendapatkan pembakaran sempurna dan tambahan udara dalam jumlah tertentu untuk menjamin pembakaran sempurna. Terlalu banyak udara akan menghasilkan heat losses (panas hilang) dan efisiensi berkurang.








Tantangan utama dalam efisiensi pembakaran adalah terbentuknya carbon yang tidak terbakar sempurna yaitu CO.



4








Stoichiometry merupakan cabang ilmu kimia yang membahas kuantitas relatif reaktan dan produk yang dihasilkan dalam reaksi kimia.








Reaksi stoichiometry menjelaskan hubungan kuantitatif antara unsurunsur yang ikut dalam reaksi kimia.








Komposisi stoichiometry menjelaskan hubungan kuantitatif (massa) antara elemen-elemen dalam senyawa (bahan bakar).








Jumlah stoichiometris atau rasio stoichiometris suatu unsur reaktan adalah jumlah atau rasio optimum sedemikian hingga saat reaksi telah selesai:  Seluruh unsur mengalami reaksi  Tidak ada kekurangan unsur/reaktan  Tidak ada kelebihan unsur/reaktan



Pembakaran stoikiometris (=pembakaran teoritis) adalah proses pembakaran ideal dimana seluruh bahan bakar terbakar sempurna; takada kekurangan atau kelebihan bakar bakar atau oksigen. 5




Pembakaran dalam Oksigen C n H m + O2 → CO2 + H 2O



Pembakaran hidrokarbon



m m  Cn H m +  n + O2 → nCO2 + H 2O 4 2 



CH 4 + 2O2 → CO 2 + 2 H 2O



Pembakaran Metana



C6 H 6 + 7.5O2 → 6CO2 + 3H 2O



Pembakaran Benzena



6




Pembakaran dalam UDARA (O2 = 21%, N2 = 79%) Cn H m + (O2 + 3.76 N 2 ) → CO2 + H 2O + N 2



m m m   Cn H m +  n + (O2 + 3.76 N 2 ) → nCO2 + H 2O + 3.76 n +  N 2 4 2 4  



CH 4 + 2(O2 + 3.76 N 2 ) → CO2 + 2 H 2O + 7.56 N 2 C6 H 6 + 7.5(O2 + 3.76 N 2 ) → 6CO2 + 3H 2O + 28.35 N 2 Jika BB mengandung O, S, Cl atau elemen lain; mana yang lebih baik, membakarnya dengan OKSIGEN atau UDARA? 7




Air-Fuel (AF) ratio AF = m Air / m Fuel Dimana:



m air = massa udara dalam campuran udara-bb m fuel = massa bahan bakar dalam campuran udara-bb



Fuel-Air ratio: FA = m Fuel /m Air = 1/AF




Air-Fuel molal ratio AFmole = nAir / nFuel Dimana:



nair = jumlah mol udara dalam campuran udara-bb nfuel = jumlah mol bb dalam campuran udara-bb



Hitung air-fuel ratio untuk pembakaran stoichiometric metana dan benzena pada halaman sebelumnya! 8




Rich mixture (campuran kaya) - Jumlah BB lebih banyak dari yang dibutuhkan (AF) mixture < (AF)stoich
Lean mixture (campuran miskin) - Jumlah udara lebih besar dari yang dibutuhkan (AF) mixture > (AF)stoich



Kebanyakan sistem pembakaran beroperasi pada kondisi pembakaran miskin. Mengapa hal ini menguntungkan? Misalkan metanol dibakar dalam sebuah mesin. Jika AFR aktual campuran tersebut 20, mesin tersebut beroperasi dalam kondisi miskin atau kaya? 9



Equivalence ratio: menunjukkan deviasi (penyimpangan) AFR aktual terhadap kondisi stoikiometrik-nya.



( FA) actual ( AF ) stoich φ= = ( FA) stoich ( AF ) actual Suatu proses pembakaran metana memiliki equivalence ratio Φ = 0.8. Berapa persen kelebihan udara/excess air (EA) yang digunakan dalam pembakaran? Bagaimana perubahan temperatur jika Φ meningkat?



10




Thermal NOx - Oksidasi N2 atmosferik pada temperatur tinggi



N 2 + O2 ↔ 2 NO NO + 12 O2 ↔ NO2 - Pembentukan thermal NOx lebih berpeluang terjadi pada temperatur tinggi
Fuel NOx - Oksidasi nitrogen dalam bahan bakar
Pembentukan CO - Pembakaran tidak sempurna - Penguraian CO2 pada temperatur tinggi



CO2 ↔ CO + 12 O2 11



Polutan dalam udara dari pembakaran Stoichiometric AFR untuk mesin bensin (gasoline engine) = 14.7  untuk tiap gram BB dibutuhkan 14.7 gram udara.



Source: Seinfeld, J. Atmospheric Chemistry and Physics of Air Pollution.



Bagaimana anda menjelaskan tren perubahan polutan HC, CO, dan NOx sebagai fungsi AFR? Bagaimana anda bisa meminimalkan emisi NOx dan CO?



12



Kelebihan Udara (Excess Air) Dalam kebanyakan aplikasi pembakaran udara disuplai dalam jumlah berlebih yaitu lebih banyak dari yang secara teoritis dibutuhkan untuk mencapai pembakaran sempurna. Ada beberapa alasan mengapa hal itu dilakukan:




Sulit untuk mendapatkan pencampuran udara-bahan bakar yang sempurna. Jika A/F stoikiometrik yang digunakan maka pembakaran seringkali tidak sempurna.








Beban pada mesin atau tungku boiler berubah sehingga kebutuhan udara-BB juga berubah; dan merupakan hal yang sulit untuk merancang sistem pencampuran udara-BB yang merespon secara akurat perubahan tersebut.








Waktu yang tersedia untuk reaksi pembakaran sempurna sangat sedikit (singkat), misalnya pada mesin bakar dalam (internal combustion engine) kecepatan tinggi.








Molekul inert Nitrogen mengganggu reaksi antara molekul BB dan oksigen.








Kelebihan udara bercampur dengan produk pembakaran; hal ini membantu pengontrolan temperatur ruang bakar.








Biasanya terdapat sejumlah uap air dalam udara atmosfer; yang berarti pembakaran sempurna membutuhkan udara berlebih dibandingkan perhitungan teoritis yang menggunakan asumsi udara kering.



13




Suplai udara berlebih mengakibatkan adanya oksigen bebas dalam produk pembakaran.
Prosentase kelebihan udara dapat dihitung dengan rumus berikut:



actual A/F ratio − stoichiometric A/F ratio Percentage excess air = Stoichiometric A/F ratio
Rumus di atas menghasilkan hasil positif (+) jika campuran dalam kondisi “miskin”; dan negatif (-) jika campuran dalam keadaan “kaya”.
Prosentase kelebihan udara sangat bervariasi tergantung pada kebutuhan/aplikasinya.
Pada boiler misalnya, umumnya kelebihan udara 20%; sedangkan pada turbin gas bisa mencapai 300%.
Campuran udara-BB yang mengandung kelebihan udara disebut weak atau lean; berarti bahwa jumlah BB relatif sedikit dibanding jumlah udara.



14




Proses pembakaran aktual terjadi dengan kompleks dan seringkali tidak sempurna sekalipun menggunakan udara berlebih.
Sangatlah sulit memprediksi proses pembakaran dan menganalisis hasil pembakaran semata-mata menggunakan prinsip kesetimbangan massa.
Cara praktis dengan mengukur gas buang bisa dilakukan secara eksperimen. Alat yang umum digunakan untuk menentukan komposisi gas buang disebut peralatan Orsat (Orsat Apparatus). 15



Gas sample 100 Measuring burette Water bath



CO O2 CO2



Leveling bottle



Orsat Apparatus



16




Sampel gas buang dialirkan menuju buret pengukur dengan menurunkan levelling bottle yang mengandung air.
Sampel gas buang dalam kondisi atmosferik kemudian dialirkan menuju botol berisi bahan reaksi (biasanya berisi penyerap CO2, oksigen dan CO) secara bergiliran.
Setelah proses absorpsi tiap absorben, sampel gas dikembalikan ke buret pengukur menggunakan levelling bottle. Perubahan volume akibat terserap absorben disimpulkan sebagai jumlah atau bagian komponen gas buang yang diukur.
Sisa gas buang setelah penyerapan selesai diasumsikan sebagai nitrogen.



17




Pengukur Orsat menentukan analisis volume produk kering pembakaran. Jika dirawat dengan hati-hati dan digunakan dengan cermat, Orsat memberikan hasil pengukuran yang cukup akurat.
Analisis menggunakan peralatan kimia seperti ini berjalan lambat.
Peralatan pengukur gas buang saat ini telah dikembangkan untuk mengukur dengan cepat, real time, dan akurat.



18




Metode lain analisis gas buang:
Non-dispersive infra red analysis for CO and CO2.
Flame ionisation detectors for unburned hydrocarbons.
Chemilluminescent analyzers for oxides of nitrogen
Paramagnetic analyzers for O2.
Peralatan tersebut juga bisa mengukur A/F ratio dengan mengukur langsung konsumsi udara dan BB.
Metode-metode diatas bisa dipasang/aplikasikan secara bersamaan dalam satu unit alat yang berfungsi mengukur semua komponen polutan dalam gas buang. 19



Q bermanfaat η= HHV



Q bermanfaat atau η = LHV



Qbermanfaat adalah panas dari proses pembakaran yang berhasil dimanfaatkan oleh sistem/mesin. Misalnya pada boiler, panas tersebut ditransfer kepada air; sehingga temperatur dan entalpi air meningkat untuk kemudian digunakan langsung atau ditransfer lagi ke turbin uap. HHV adalah higher heating value BB. LHV adalah lower heating value BB. 20



Polutan udara dari pembakaran BB hidrokarbon:




Karbon dioksida (CO2)  produk pembakaran sempurna, tidak terlihat, tidak selalu dianggap sebagai polutan. Namun mendapat perhatian penting karena menghasilkan “greenhouse effect”.








Karbon monoksida (CO)  produk pembakaran tidak sempurna, tidak terlihat, beracun, sekalipun dalam jumlah kecil bisa mengakibatkan kematian.








Sulfur oksida (SOx)  beracun, jika bereaksi dengan air membentuk asam sulfat yang memiliki sifat sangat korosif; ditemukan dalam bentuk hujan asam.








Nitrogen oksida (NOx) beracun, kombinasi dengan air menghasilkan asam nitrat, mengakibatkan hujan asam.








Unburned fuel & HC (BB dan hidrokarbon yang tidak terbakar)  beracun dalam konsentrasi besar, berbahaya karena bisa terbakar.








Particulate matter (PM)  berupa partikel carbon termasuk asap dan soot (jelaga), juga residu BB yg tidak bisa terbakar; bisa mengakibatkan terjadinya kabut asap, smog (smoke-fog), debu, membahayakan paru-paru jika terhirup.








Campuran timbal (Lead compounds)  merupakan bahan untuk meningkatkan angka oktan; beracun namun saat ini penggunaannya sangat sedikit.



21



Contoh alat ukur & monitoring emisi gas buang



22



23



24



25



26



Contoh soal Reaksi pembakaran



27




Pembakaran dalam UDARA (O2 = 21%, N2 = 79%) Cn H m + (O2 + 3.76 N 2 ) → CO2 + H 2O + N 2



m m m   Cn H m +  n + (O2 + 3.76 N 2 ) → nCO2 + H 2O + 3.76 n +  N 2 4 2 4  



CH 4 + 2(O2 + 3.76 N 2 ) → CO2 + 2 H 2O + 7.52 N 2 C6 H 6 + 7.5(O2 + 3.76 N 2 ) → 6CO2 + 3H 2O + 28.2 N 2



Dari mana? 28



Oksigen yang dibutuhkan dalam pembakaran biasanya disuplai dari udara atmosfer yang merupakan campuran oksigen, nitrogen, beberapa gas lain dan uap air air.. Jumlah gas dan uap air relatif kecil sehingga dalam perhitungan pembakaran biasanya diabaikan, dan yang tersisa untuk diperhitungkan adalah oksigen dan nitrogen dengan komposisi:: komposisi Basis massa 23..3% O2 dan 76 76..7% N2  23 Basis molar atau volumetrik  21 21% % O2 dan 79 79% % N2 Sehingga rasio nitrogen : oksigen adalah 3.29 : 1 dengan basis massa 3.76 : 1 dengan basis molar atau volumetrik 29



Rasio nitrogen : oksigen dalam udara  3.29 : 1 dengan basis massa 3.76 : 1 dengan basis molar atau volumetrik



30



Soal no 1. 1 kmol etana (C2H6) dibakar dalam ruang bakar dengan jumlah udara yang mengandung 10 kmol oksigen (O2). Jika produk pembakarannya CO2, H2O, O2, dan N2, tentukan persamaan pembakaran dan massa udara & etana awal dalam ruang bakar. Berapa massa tiap produk pembakaran setelah pembakaran selesai? Persamaan kimia untuk proses pembakaran ini dapat ditulis sbb sbb:: C 2 H 6 + 10 (O 2 + 3.76 N 2 ) → wCO 2 + xH 2 O + yO2 + zN 2 w, x, y, dan z merupakan jumlah mol yang tidak diketahui dari gas dalam produk pembakaran. pembakaran. 31



(Soal no 1.) Dengan menerapkan konservasi massa untuk tiap elemen, menghasilkan:: menghasilkan C : 2=w w=2 H : 6 = 2x x=3 O : 20 = 2w + x + 2y  y = 6.5 N2 : 37 37..6 = z  z = 37 37..6 Sehingga persamaan pembakarannya menjadi: menjadi: C 2 H 6 + 10 (O 2 + 3.76 N 2 ) → 2CO 2 + 3H 2 O + 6.5O 2 + 37.6 N 2



32



(Soal no 1.) C 2 H 6 + 10 (O 2 + 3.76 N 2 ) → 2CO 2 + 3H 2 O + 6.5O 2 + 37.6 N 2 Checking: 1 kmol etana = (2x12 12)) + (6x1) = 30 kg 10 kmol udara = (10 10xx32 32)) + (10 10xx3.76 76xx28 28)) = 1372. 1372.8 kg



Total = 1402.8 kg



Selanjutnya, produk produk--produk pembakaran sbb sbb:: Massa CO2 = 2 x 44 = 88 kg Massa H2O = 3 x 18 = 54 kg Massa O2 = 6.5 x 32 = 208 kg Massa N2 = 37 37..6 x 28 = 1052. 1052.8 kg



Total = 1402.8 kg



Kelebihan oksigen (O2) sebanyak 208 kg ada dalam campuran gas produk pembakaran. Dalam proses pembakaran ini, oksigen disuplai dalam jumlah lebih besar dari kebutuhan untuk menjamin terjadinya pembakaran yang sempurna.



33



Soal no 2. Tentukan rasio A/F stoikiometrik untuk pembakaran sempurna batubara yang memiliki komposisi massa: 82% C; 5% H2; 6% O2; 2% N2; 1% S; dan 4% abu. Jelaskan analisis massa produk pembakaran jika menggunakan analisis basah dan analisis kering. [Catatan: analisis basah mengasumsikan produk H2O berupa uap air; sedangkan analisis kering mengasumsikan uap H2O terkondensasi dandikeluarkan dari produk pembakaran] Untuk batubara dengan komposisi seperti di atas, proses pembakaran dan produk pembakarannya dapat ditabulasikan seperti dalam tabel di bawah ini ini..



34



(Soal no 2.) Komponen



Massa per kg Bahan Bakar



Persamaan Pembakaran



O2 yang diperlukan per kg BB (kg)



Produk per kg BB (kg)



C



0.82



C+O2CO2 12+32 44



0.82 x (32/12) = 2.187



0.82 x (44/12) = 3.007



H2



0.05



2H2+O22H2O 4+32  36



0.05 x (32/4) = 0.4



0.05 x (36/4) = 0.45



O2



0.06



-



-0.06



-



N2



0.02



-



-



0.02



S



0.01



S+O2SO2 32+3264



0.01 x (32/32) = 0.01 0.01x(64/32) = 0.02



Abu



0.04



-



Total = 2.537 kg O2



-



35



(Soal no 2.) Dari tabel di atas diperoleh: diperoleh: O2 yang diperlukan per kg BB adalah sebesar 2.537 kg. kg. Dengan asumsi udara mengandung 23 23..3% O2 berbasis massa; massa; maka jumlah udara yang dibutuhkan per kg BB adalah



2.537 = 10.89 kg 0.233 Sehingga A/F stoikiometrik pembakaran batubara ini adalah 10.89 : 1



36



(Soal no 2.) Untuk melakukan analisis basah dan kering produk pembakaran; pembakaran; gunakan data produk pembakaran pada tabel sebelumnya. sebelumnya. Produk CO2, H2O dan SO2 sama seperti dalam tabel. tabel. Produk N2 merupakan jumlah total N2 dari udara dan dari bahan bakar; bakar; N2



= N2 dalam udara + N2 dari bahan bakar = (0.767 x 10 10..89 89)) kg + 0.02 kg = 8.373 kg



Total produk pembakaran untuk analisis basah: basah: = CO2 + H2O + N2 + SO2 = 3.007 + 0.45 + 8.373 + 0.02 = 11 11..85 kg Total produk pembakaran untuk analisis kering: kering: = CO2 + N2 + SO2 = 3.007 + 8.373 + 0.02 = 11 11..4 kg



37



(Soal no 2.) Tabulasi produk pembakaran dan analisis basah & kering produk pembakaran disajikan seperti berikut ini ini:: Produk



Massa per kg BB



Analisis basah (%)



Analisis kering (%)



CO2



3.007



25.37



26.38



H2O



0.45



3.8



-



N2



8.373



70.66



73.45



SO2



0.02



0.17



0.17



Prosentase produk pembakaran dengan memperhitungkan H2O. Prosentase produk pembakaran tanpa memperhitungkan H2O.



38



Soal tambahan 1. Dalam sebuah mesin uji mesin bensin digunakan bahan bakar dengan komposisi 85.5% C; 14.4% H2 dan 0.1% S. Tentukan equivalence ratio jika konsumsi udara dan bahan bakar selama pengujian adalah 1.5 kg/min dan 0.09 kg/min. Campuran tersebut “kaya” atau “miskin”? 2. Sebuah tungku bakar ketel uap disuplai bahan bakar metana (CH4). Tentukan rasio A/F stoikiometrik. Jika rasio A/F aktualnya 20:1, tentukan analisis basah gas buang berbasis volume produk pembakaran.



39



Premixed Combustion VS Diffusion Combustion



40



Soot



Tipe nyala api yang berbeda dari sebuah Bunsen burner ; tergantung pada suplai oksigen. Pada gambar paling kiri kondisi campuran kaya BB tanpa pencampuran awal oksigen menghasilkan “yellow sooty diffusion flame”; dan pada sisi paling kanan nyala api campuran miskin yang sudah tercampur sempurna dengan oksigen (fully premixed) menghasilkan nyala api tanpa soot.



41



Bunsen burner



42



Bunsen burner 43



Premixed combustion pada mesin bensin 44



Premixed combustion pada mesin bensin 45



Gasoline Direct Injection Premixed combustion pada mesin bensin



46



47



48



49



Diesel fuel spray 50



51



Diesel fuel spray terdiri dari beberapa proses berurutan: penguapan, pencampuran dengan udara sampai akhirnya terjadi pembakaran.



52



Pembakaran dalam silinder diesel engine



53



Tugas Makalah & Presentasi




Kuliah materi “Teknik Pembakaran” dilaksanakan s/d 14 April; dilanjutkan “Teknik Gasifikasi” sampai akhir semester.








Untuk “Teknik Pembakaran”, presentasi dikerjakan secara berkelompok, masing-masing 3 anggota.








Selanjutnya materi presentasi dikembangkan menjadi makalah secara sendirisendiri menjadi tugas individual (dikumpulkan paling lambat minggu ke 3 Mei 2014).








Pembagian tugas sbb: o



Kelompok 1  Solid fuel combustion



o



Kelompok 2  Liquid fuel combustion



o



Kelompok 3  Gaseous fuel combustion



o



Kelompok 4  Combustion in internal combustion engine








Materi awal bisa diambil dari buku “Applied combustion by Eugene L. Keating”, bisa diperkaya dengan materi dari sumber lain.








Penilaian: lingkup dan kedalaman materi. 54



55