4- Hand Out UTILITAS - Pembakaran

PEMBAKARAN

Hand Out Kuliah ITK-423 UTILITAS (Oleh : Antonius D.A. Feryanto)

JURUSAN TEKNIK KIMIA - ITENAS

Tujuan Pembelajaran Khusus (TPK) Mahasiswa mampu menjelaskan mekanisme penyediaan energi termal (pembakaran)

Konversi Energi Kimia •

•

•

Sumber utama energi bahan bakar  produksi energi termal dari energi kimia. Reaksi eksotermik  menghasilkan energi/panas  PEMBAKARAN !! Reaksi oksidasi 3 macam unsur dapt terbakar  C, H, dan S menjadi CO2, H2O, dan SO2.

Pembakaran Teoritis  ASUMSI-ASUMSI : - Pembakaran berlangsung sempurna - C, H, dan S terbakar seluruhnya - Udara mengadung 79%-mol nitrogen dan 21%-mol oksigen ATAU 76.8%-berat nitrogen dan 23.2%-berat oksigen.

Reaksi Pembakaran •

Pembakaran unsur C 2C + O2  2 CO 2CO + O2  2CO2

, DH = -110380 kJ/kml C , DH = 283180 kJ/kmol C

Pada reaksi di atas : - 2 kmol C (24.02 kg) bereaksi dengan 1 kmol O2 (32 kg)  2 kmol CO (56.02 kg). - 2 kmol CO (56.02 kg) bereaksi dengan 1 kmol O2 (32 kg)  2 kmol CO2 (88.02 kg) ♣

64/24.02 = 2.66 kg O2 dibutuhkan untuk membakar sempurna 1 kg C.

2.66 kg O2 / kg C !!

•

Pembakaran unsur H 2H2 + O2



2H2O

, DH = 286.470 kJ/kmol H2

Pada reaksi di atas : - 2 kmol H2 (4.032 kg) bereaksi dengan 1 kmol O2 (32 kg)  2 kmol H2O (36.032 kg). ♣

32/4.032 = 7.94 kg O2 dibutuhkan untuk membakar sempurna 1 kg H2.

7.94 kg O2 / kg S !!

•

Pembakaran unsur S S + O2

 

SO2

, DH = 296.774 kJ/kmol S

Pada reaksi di atas : - 1 kmol S (32.06 kg) bereaksi dengan 1 kmol O2 (32 kg)  1 kmol SO2 (64.06 kg). ♣

32/32.06 = 0.998 kg O2 dibutuhkan untuk membakar sempurna 1 kg S.

0.998 kg O2 / kg S !!

Perbandingan Udara  – Bahan Bakar Teoritis •

•

•

Kebutuhan udara minimum untuk pembakaran sempurna. Dinyatakan dalam massa udara/massa bahan bakar atau Vol udara/Vol bahan bakar. Pendekatan = basis kering bahan bakar.   A  (massa)      F   th,m,d  kg O2 yang dibutuhkan dari udara per kg bahan bakar    A     %  massa O2 dalam udara   F   th,m,d  2.66C   7.94 H 2  0.998S   O2   A     0.232   F   th,m,d 

th, m, d = theoritical, mass, dry

Perbandingan Udara  – Bahan Bakar Teoritis •

Bahan bakar gas/cair  lebih mudah dinyatakan dalam besaran molar. mol O2 yang dibutuhkan dari udara per mol bahan bakar    A     % - mol O2 dalam udara   F   th,mol ,d   Z   0.25 Z  H    Z S   0.5 Z O   A   C    0.21   F   th ,mol ,d  Contoh : C8H18 Zc = 8 , ZH = 18  Atau  50% CH4 , 40% C2H6 , 5% H2S , dan 5% O2. maka,

Zc = (50%*1)+(40%*2) = 1.3 ZH = (50%*4)+(40%*6)+(5%*2) = 4.5 ZS = (5%*1) = 0.05 ZO = (5%*2) = 0.1

th, mol, d = theoritical, molar, dry

Contoh Soal :  Analisis ultimasi sebuah sampel batubara diperoleh hasil sebagai berikut : 83.1% C , 5.5% H2 , 7.4% O2 , 2.1% N2, dan 1.9% S. Tentukan perbandingan udara-bahan bakar teoritis  jika kadar kebasahan (moisture) dan kadar abu berturut-turut 4% dan 5%.

Contoh soal : Hitunglah perbandingan udara-bahan bakar molar ketika membakar LPG yang tersusun dari 40% C3H8 dan 60% C4H10. Carilah  juga perbandingan massa udara-bahan bakar untuk LPG tersebut.

Soal 3.1 Rasio Udara/bb Teoritik Hitunglah perbandingan udara/bahan bakar teoritis dalam kilogram udara perkilogram bahan bakar untuk bahan bakar berikut: a. Batubara Schuykill Country, Pa. dengan M = 4,5% dan  A=9,7% b. Batubara Pike Country, Ky dengan M = 2,5% dan A = 4,2% c. Batubara Morton Country, N.Dak., dengan M = 37,0% dan A = 4,2% d. BBM No. 2 dengan C = 87,2%, H = 12,5%, dan S = 0,3% e. BBM No. 5 dengan C = 87,85%, H = 11,25% dan S = 0,9% f. Gas alam Ohio A

Pembakaran Aktual  ASUMSI-ASUMSI : - Pembakaran berlangsung tidak sempurna - Terbentuk gas CO - Terdapat sisa karbon tak terbakar - Udara mengadung 79%-mol nitrogen dan 21%-mol oksigen ATAU 76.8%-berat nitrogen dan 23.2%-berat oksigen.

5 hal yang perlu dilakukan untuk proses pembakaran yang baik •

MATT M = Mixing  Pencampuran murni reaktan dengan udara  A = Air  Jumlah udara yang cukup. T = Temperature  Temperatur yang cukup T = Time  Waktu yang cukup untuk berlangsungnya reaksi r  Kerapatan yang cukup untuk merambatkan nyala api

Paling mungkin dilakukan menyediakan kelebihan udara (EXCESS AIR)

Beberapa analisis untuk mengetahui efektivitas pembakaran

•

 Analisis ultimasi

 C,

•

 Analisis flue gas / orsat

•

 Analisis sisa

 HHV

H2, O, N, S  CO,

CO2, O2, N2

sisa, C tak terbakar.

Komponen-komponen gas buang/flue gas/gas hasil pembakaran

Bahan bakar 

Udara

CO2 CO Gas buang H2O O2 N2 SO2 NOx BURNER Hidroksil  Aldehid

ANALISIS GAS BUANG Menggunakan alat orsat

ANALISIS SISA (pembakaran batubara) •

•

•

•

Mengetahui jumlah C tak berbakar Asumsi - sisa pembakaran = Abu + C tak terbakar - jumlah abu (A) dalam sisa pembakaran sama dengan jumlah abu dalam batubara Biasanya dinyakan dalam HHV sisa HHV Carbon = 32.778 kJ/kg C %  C  tak terba kar 

%  C  tak terbakar 

HHV sisa  HHV carbon

HHV sisa 32.778

 x100 %

 x100%

Soal 3.2 Analisis Abu Dalam sebuah ketel batubara serbuk, jumlah karbon tak terbakar harus dihitung secara terpisah dari analisis sisa ash pit dan dari fly ash yang membawa serbuk batubara dalam flue gas dan dikeluarkan dalam precipitator. Hitunglah kuantitas total karbon tak terbakar per kg batubara dari data berikut:  Abu dalam bahan bakar (hasil analisis ultimate): 12,5% Sisa ash pit = 0,1 kg sisa perkg batubara Zat dapat nyala dalam sisa = 25% Zat dapat nyala dalam sisa precipitator = 40%

Perbandingan udara-bahan bakar aktual (batubara)

  A      F   act ,m ,d 

  (%N2)(28.016)  (%CO  %CO2)(12.01) C b  N f      0.768

%N2, %CO, dan % CO2  dari analisis orsat/gas buang Nf   kadar nitrogen dalam batubara (analisis ultimasi) Cb  fraksi karbon yang terbakar (dari analisis sisa) 0.768  fraksi massa nitrogen dalam udara 28.016  BM N2 12.01  BM Carbon act,m,d = actual, mass, dry

Perbandingan udara-bahan bakar aktual (BBM atau BBG)

  A      F   act ,mol ,d 

  (%N2)  (%CO  %CO2) Z c0.5 Z N      0.79

%N2, %CO, dan % CO2  dari analisis orsat/gas buang ZN  mol atom N per mol bahan bakar ZC  mol atom C per mol bahan bakar 0.79  fraksi mol nitrogen dalam udara act,mol,d = actual, molar, dry

Soal 3.3 Pembakaran Aktual  Apabila batubara Westmoreland Indiana County, Pa. dengan M = 3,0% dan A = 8,5% dibakar dengan kelebihan udara 18% & Hitung perbandingan udara/bahan bakar aktual dan teoritis hasil analisis orsat. & Hitung energi panas netto yang dihasilkan perkt batubara yang dibakar  Analisis Ultimate: C = 87.6%

H = 5,2%

N = 1.4%

S = 2.5%

HHV = 36355 kJ/kg

O = 3.3%

Contoh Soal : Pada pengujian sebuah ketel diperoleh data-data sebagai berikut : - Laju batubara yang dibakar = 5000 kg/jam - Nilai HHV bongkah sisa = 4916.7 kJ/kg - Analisis orsat gas buang = 0.25% CO, 10.7% CO2, 8.5% O2, dan sisanya N2 (dalam %-mol) - Analisis ultimasi batubara = 78.5% C, 5.1% H2, 7.6% O2, 2.3% N2, 6.5% S, 6% A, 11% M (dalam %-berat) Data-data lain = HHV Carbon = 32778 kJ/kg Dari data-data di atas, a. Tentukan kebutuhan udara teoritis dan aktualnya. b. Hitung % kelebihan udara. c. Berapa laju emisi gas buang CO per jam? d. Tentukan laju alir gas buang total. e. Tentukan komposisi gas buang dalam %-mol. (petunjuk = gas buang mengandung CO, CO2, N2, O2, SO2, dan H2O).

Contoh Soal : Komposisi gas alam diketahui sebagai berikut : (%-volume) CH4 89%, C2H6 6%, C3H8 1%, C4H10 0.8%, C5H12 0.5%, CO 1%, dan H2S 2%. Gas tersebut akan digunakan sebagai bahan bakar ketel uap dan menghasilkan gas buang dengan komposisi CO 1.5%, CO2 9.5%, O2 6.4%, dan sisanya N2 (dengan metode analisis orsat). a. Tentukan reaksi-reaksi yang terjadi saat gas tersebut terbakar sempurna b. Tentukan HHV total gas alam di atas pada 3 atm, 30 oC (dalam kJ/kg) c. Jika gas alam tersebut dibakar dengan laju 20 m3/jam, tentukan laju emisi gas polutan CO. d. Hitung %-udara berlebih.

Soal 3.4 Pembakaran Aktual Pada waktu menguji sebuah tungku, diperoleh data berikut: o berat batubara yang dibakar perjam: 9958 kg o berat abu perjam: 2920 kg; kg o zat dapat dibakar dalam abu : 22,84% o analisis ultimat batubara: C=60,31% H = 4,06% O=6,71% N=1,13% S = 5,23% dan abu 22,56%. o Hasil analisis orsat gas buang: CO2 = 10,69%, O2 = 8,23%, dan CO = 0,23% Hitung: - massa gas asap kering perkg batubara yang dibakar - Persentase kelebihan udara - Koefisien pengenceran - Berat total gas asap yang dihasilkan dalam kg perjam - Berat karbonmonoksida yang dihasilkan dalam kg perjam

Soal 3.13 Pembakaran Aktual Suatu gas produser dengan komposisi molar berikut: CO = 21%, H2 = 31%, N2 = 48% dibakar dalam sebuah dapur. Analisis orsat gas baung menunjukkan hasil CO2 = 8,6%; O2 = 6,4%, dan CO = 0,2%. Hitunglah: - Persen kelebihan udara - Perbandingan udara/bahan bakar aktual