BAB III. ENERGI DAN PEMBAKARAN
ANALISA PEMBAKARAN
Nomenklatur atau penamaan senyawa hidrokarbon berdasar konggres di Geneva Switzerland pada tahun 1892, disebut dengan penamaan sistim Geneva. Nomenklatur senyawa hidrokarbon dimulai dari molekul yang paling sederhana, yaitu senyawa hidrokarbon beratom C satu sampai molekul yang beratom C empat atau lebih, adalah memiliki nama yang khusus. Suatu reaksi kimia adalah proses dimana ikatan atom di dalam molekul zat-zat yang bereaksi dipecahkan diikuti oleh penyusunan kembali atom-atom tersebut dalam kombinasi molekul baru.
Pembakaran stoikiometrik adalah pembakaran dimana semua atom-atom hidrogen diubah menjadi H2O dan semua atom zat arang diubah menjadi CO2. Gas hasil pembakaran ditentukan oleh reaksi pembakaran unsur-unsurnya. Kandungan unsur-unsur pada senyawa pembakaran tergantung pada persamaan rumus kimia yang ada pada bahan yang bereakasi.
Polusi adalah terjadinya pencemaran yang menyebabkan rusaknya ekologi lingkungan dan kelestarian alam, karena adanya suatu bahan dalam konsentrasi ambang batas. Ada tiga komponen pokok dapat disebut sebagai pencemaran, yaitu: (1) lingkungan yang terkena adalah lingkungan hidup manusia, (2) yang terkena dampak negatif secara langsung adalah manusianya, dan (3) di dalam lingkungan tersebut terdapat bahan yang berbahaya akibat dari aktivitas manusia.
DESKRIPSI:
Materi dalam bab IV. akan dipelajari tentang: (1) Nomenklatur senyawa hidrokarbon, (2) Persamaan reaksi pembakaran, (3) Emisi gas buang, dan (4) Pengaruh emisi gas buang bagi lingkungan.
TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS
Setelah mempelajari materi pada bab 1V. ini maka mahasiswa dapat: (1) mengetahui komposisi struktur bahan bakar dengan nomenklatur senyawa hidrokarbon, (2) memahami persamaan reaksi pembakaran, (3) menyebutkan emisi gas buang, dan (4) mengetahui pengaruh emisi gas buang bagi lingkungan.
BAB IV. ANALISA PEMBAKARAN
Nomenklatur Senyawa Hidrokarbon
Nomenklatur atau penamaan senyawa hidrokarbon yang biasa dipakai dalam komposisi kimia berdasar pada hasil kongres di Geneva Switzerland pada tahun 1892, sehingga hal ini terkenal disebut dengan penamaan sistim Geneva. Nomenklatur senyawa hidrokarbon dimulai dari molekul yang paling sederhana, yaitu senyawa hidrokarbon beratom C satu sampai molekul yang beratom C empat adalah memiliki nama yang khusus:
Untuk n = 1, dinamakan metana dan rumus molekulnya CH4
n = 2, dinamakan etana dan rumus molekulnya C2H6
n = 3, dinamakan propana dan rumus molekulnya C3H8
n = 4, dinamakan butana dan rumus molekulnya C4H10
Kemudian selanjutnya, mulai senyawa hidrokarbon yang beratom C lima, yaitu disebut alkana sampai dengan berikutnya penamaan menggunakan bilangan yunani (bilangan latin) dengan menambahkan akhiran “ana” misalnya yang beratom C enam disebut heksana (C6H14) dan seterusnya. Kadang-kadang penamaan untuk hidrokarbon bercabang diberinama sebagai derivatif dari metana, dimana hidrogen disubtitusi dengan gugusan alkil. Sebagai contoh dapat dilihat pada rumus senyawa hidrokarbon dengan atom C adalah lima (pentana ) dengan rumus: C5H12. Adapun rumus strukturnya adalah sebagai berikut:
Nama pentana, n = 5 untuk atom C.
H H H H H I I I I I H---- C --- C --- C --- C --- C --- H I I I I I H H H H H
H H H H H I I I I H C H H --- C --- C ---C --- C --- H H I H I I I I H C --- C --- C H H HCH H H H I H H H C H H
Iso pentana Neo
pentana
2 metil butana 2, 2
dimetil propana
dimetil etil metana tetra metil
metana
Apabila diperhatikan dari anggota deret metana, rumus satu dengan lainnya, membentuk suatu deret yang masing-masing berbeda dengan CH2, dari deret tersebut masing-masing mempunyai sifat fisika dan kimia yang sama disebut deret homolok. Di samping itu dikenal pula adanya: (1) Atom C primer, yaitu atom karbon tersebut hanya mengikat satu atom karbon lainnya, (2) Atom C sekunder, yaitu atom karbon yang mengikat dua atom kartbon lainnya, (3) Atom C tertyier, yaitu atom karbon yang mengikat tiga atom karbon lainnya, dan (4) Atom C kwartener, yaitu atom karbon yang mengikat empat atom karbon lainnya.
C C 1 = atom C primer 4 I I 2 = atom C sekunder C --- C --- C --- C --- C --- C 3 = atom C tertier I 3 2 1 4 = atom C kwartener C
Apabila suatu hidro karbon (alkana) kehilangan satu atom hidrogen, maka membentuk suatu gugus yang disebut gugus radikal. Gugus radikal yang demikian dinamakan gugus alkil. Gugus radikal yang lazim adalah:
CH3– lazim disebut gugus
metil.
CH3 – CH 2 disebut gugus etil.
CH3 – CH 2 – CH 2 disebut gugus n – profil . CH3 CH - adalah gugus isopropil
CH3
CH3 – CH 2 – CH 2 – CH 2 adalah gugus n – butil. CH3 – CH 2 – CH – CH 3 adalah gugus sekunder butil. CH3 – CH – CH adalah gugus isobutil.
I
CH3
CH3 I
CH 3 --- C --- adalah gugus tertier butil. I
CH3
Penulisan dalam senyawa-senyawa organik gugus alkil tersebut biasanya ditulis dengan lambang huruf R, yang artinya radikal.
CH C H2 HC C -- CH2 -- CH2 -- CH2 -- HC CH -- CH2 -- CH2 – CH3 HC CH C H2 CH2 CH C H2
Ikatan aromatik Ikatan
naftanik
Rumus bangun suatu molekul hidrokarbon kompleks.
1-(3 fenil propil ) –3 – propil siklo eksana yang meliputi satu ikatan aromatik satu ikatan naftenik dan rantai panjang parafin.
B. Pembakaran
Analisis proksimat dari zat arang menghasilkan prosentase air,zat-zat yang dapat menguap, karbon yang tetap (tak dapat bereaksi). Analisis ultimat dapat memberikan jumlah prosentase zat arang, hidrogen, oksigen, belerang, nitrogen
yang dapat dinyatakan dengan dasar “basah” (as received) atau “kering”, yaitu dengan uap yang ditentukan dalam analisis proksimat tidak disertakan.
Persamaan Stoikiometrik
Suatu reaksi kimia adalah proses dimana ikatan atom didalam molekul-molekul zat-zat yang bereaksi dipecahkan,diikuti oleh penyusunan kembali atom-atom tersebut dalam kombinasi molekul yang baru. Pembakaran stoikiometrik adalah pembakaran dimana semua atom-atom hidrogen diubah menjadi H2O dan semua atom zat arang diubah menjadi CO2.
Jadi untuk metana , CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
Persamaan diatas menyatakan bahwa satu mol metana bereaksi dengan dua mol oksigen dan membentuk satu mol karbondioksida dan air. Proses pembakaran oksigen diasalurkan sebagai udara dan bukan dalam bentuk murni.Berdasarkan volume udara mengandung 21% oksigen dan 79% nitrogen yaitu untuk tiap mol oksigen terdapat 79 / 21 = (3.76 mol nitrogen), sehigga reaksinya ditulis :
CH4 + {2 O2 + 2 (3.76) N2 } CO2 + 2 H2O + 7.52 N2
Berdasarkan dari persamaan diatas atom karbon diubah menjadi CO2 dan semua atom hidrogen menjadi H2O dengan bersenyawa dengan oksigen dari udara.
Jumlah udara minimum yang memberikan oksigen yang cukup untuk dioksidasi lengkap dari semua karbon,hidrogen,dan elemen-elemen yanh dapat terbakar didalam bahan bakar yang sering disebut udara teoretis. Secara teoretis pembakaran adalah perbandingan udara terhadap bahan bakar (air fuel ratio) yaitu perbandingan antara massa udara dengan massa bahan bakar. Sebagai salah satu contoh dalam persamaan
stoikiometrik adalah sebagai berikut :
1. Tentukan perbandingan udara / bahan bakar stoikiometrik dan produk-produk pembakaran oktana,C8H18.
2. Bandingkan analisis molar dari produk pembakarannya dengan produk yang diperileh bila C8H18 dibakar dengan 200% udara teoretis.
1. Perbandingan udara bahan bakar stoikiometrik diperoleh dari persamaan ; C8H18 + 12.5 O2 + {12.5 (3.76)N2 } 8CO2 + 9 H2O + 47 H2
Jumlah udara persatuan massa bahan bakar : 114 28 x 47 32 5 , 12 x +
=15 lbm udara / lbm bahan bakar.
Analisis molar dari produk pembakaran untuk pembakaran stoikiometrik : Jumlah mol Prosetase volume
CO2 8 12.5
H2O 9 14
N2 47 73.5
2. Persamaan pembakaran dengan 200% udara teoretis ;
C8H18 + 2 (12,5)O2 + 2 (12,5 + 3,76)N2 8 CO2 + 9H2 + 12,5 O2 + 94 N2
Analisis volumetrik dari produk pembakaran :
N X1
CO2 8 6,5
H2O 9 7,3
O2 12,5 10,1
Contoh ;
Analisis volumetrik dari suatu gas adalah 26% CO ,12% H2, 72% dan 55% N2, udara sejumlah 1,3 ft3 digunakan untuk pembakaran tiap ft3 gas. Berapa besar temperatur minimum yang diperbolehkan pada tiap permukaan yang berhubunga dangan gas produk pembakaran supaya tidak terjadi konbdensasi?
Penyelesaian ; Reaksi ;
0.26 mol CO + 0,13 mol O2 = 0,26 mol CO2
0,12 mol H2 + 0,06 mol O2 = 0,12 mol NO produk pembakaran ;
CO2 = 0,26 mol (dari pembakaran CO) + 0,07 mol (bersama-sama bahan bakar) = 0,33 mol.
O2 = 1,2 x 0,21 mol (dari udara ) – 0,19 mol (digunakan oksidasi CO dan H2 )
N2 = 1,2 x 0,79 mol (dari udara) + 0,55 mol (dari bahan bakar) = 1,449 mol.
Jumlah mol produk = 0,33 + 0,12 + 0,062 + 1,494 = 2,011 mol. Tekanan persial uap H2O ;
011 , 2 12 , 0 =14,7 =0,876 psia. 3. Pembakaran Hidrogen
Pembakaran dari hidrogen dengan oksigen menghasilkan air. Proses pembakaran ini dapat ditulis:
2 H2 + O2 = 2 H2O. a. Analisa Massa.
Berat atom hidrogen (H) = 1, analisa massa hidrogen dalam proses = 2 x 2 = 4
Barat atom oksigen (O) = 16; maka massa oksigen dalam proses = 2 x 16 = 32.
Masa air adalah: = 2 x ( 2+16 ) = 36 Dengan demikian dapat ditulis:
4 massa H2 dicampur dengan 32 massa O2 = 36 massa H2O atau:
1 massa H2 ditambah 8 massa O2 = 9 massa H2 O. Untuk perbandingan 1 kg H2 menjadi:
1 kg H2 + 8 kg O2 = 9 kg H2 O
oksigen terdapat dalam udara sebesar 23,2% dari massa, sedang dalam pembakaran 1kg H2 dibutuhkan 8kg O2..
Kebutuhan udara untuk pembakaran 1kg H2 adalah = 8/0,232 = 34,5kg.
Dari 34,5 kg udara terdapat 8kg O2 , maka besarnya nitrogen adalah: = 34,5 – 8 = 26,5kg.
Dengan demikian untuk pembakaran 1kg H2 dibutuhkan 34,5kg udara akan menghasilkan 9kg air dengan 26,5kg zat lemas (nitrogen ).
b. Analisa Volume
Pembakaran hidrogen dengan oksigen adalah: 2 H 2 + O2 = 2 H2 O
Dari 2 H2 adalah 2 molekul H2 . O2 adalah 1 molekul O2 . 2 H2O adalah 2 molekul H2 O .
Menurut Avogadro perbandingan besarnya molekul sama dengan perbandingan volume, maka pada pembakaran ini dapat ditulis
1 m2 H2 + 0,5 m3 O2 = 1 m3 H2 O .
artinya pembakaran 1 m3 H2 dibutuhkan 0,5 m3 O2 akan menghasilkan 1,5 m3 gas dan 1 m3 air.
Udara terdapat 21 % O2 dari volume, maka kebutuhan 0,5 O2
dibutuhkan udara.
= 0,5 / 0,21 = 2,38 m3.
Dengan demikian Nitrogen yang dihasilkan = 2,38 – 0,5 = 1,88 m3 N2 .
Jadi dari analisa volume, untuk pembakaran 1 m3 H2 akan menghasilkan 1 m3 H2 O dan 1,88 m3 N2.
F. C. Emisi Gas Buang
Gas hasil pembakaran bahan bakar dapat ditentukan oleh reaksi pembakaran unsur-unsurnya. Kandungan unsur-unsur pada senyawa pembakaran tergantung pada persamaan rumus kimia yang ada pada bahan yang bereakasi.
Pembakaran 1 kg C menghasilkan 3,66 kg CO2 dan 8,64 kg N2. Pembakaran 1 kg H2 menghasilkan 9 kg H2O dan 26, 5 kg N2. Pembakaran 1 kg S menghasilkan 2 kg SO2 dan 3,3 kg N2.
Apabila bahan-bahan mengandung O2, maka juga mengandung N2 sebesar 232 , 1 768 , 0 = x massa O2. Atau = 3,3 x massa O2.
Untuk mudahnya diambil contoh seperti dibawah ini. Contoh 1 :
1 kg bahan bakar mengandung 82 % C, 12 % H2. 2 % O2 , 1 % S dan 3 % N2.
Tentukan gas-gas hasil pembakaran dan prosentasenya. Jawab :
Untuk unsur C mendapat CO2 = 0,82. (3,66)= 3,01 kg.
N2 = 0,82. (8,64)= 7,25 kg.
Untuk unsur H2 mendapat H2O = 0,12 . (9) = 1,08 kg
N2 = 0,12 (26,5) = 3,18 kg Untuk unsur S mendapat SO2 = 0,01 . (2) = 0,02 kg
N2 = 0,01 . (3,3) = 0,033 kg
Untuk unsur O2 terdapat N2 = 0,02 . (3,3) = 0,066 kg
Jadi gas N2 = 7,25 + 43,18 + 0,033 = 0,066 + 0,03
= 10,427 kg
Gas hasil pembakaran 1 kg bahan bakar adalah : 3,01 kg CO2; 1,08 kg H2O; 0,02 kg SO2; 10,47 kg N2.
Jadi gas hasil pembakaran = 3,01 + 1,08 + 0,02 + 10,427 = 14,5437 kg Gas hasil pembakaran 1 kg bahan bakar dalam prosen.
71,43% 100% x 14,537 10,427 N 0,14% 100% x 14,537 0,02 O S 7,43% 100% x 14,537 1,08 O H 20,7% 100% x 14,537 3,01 O C 2 2 2 2 = = = = = = = =
Menghitung hasil pembakaran berdasarkan volume dapat dijelaskan dengan contoh : 5.
Contoh 5. 1 kg bahan bakar mengandung 14,2% CH4
5,9% CO2; 436% CO; 40,5% H2; 0,5% O2; 2,9% N2 dari volumenya. Tentukan hasil-hasil gas pembakaran dari 1 m3 bahan bakar.
Jawab : Untuk pembakaran CH4 (0,142 m3 CH4)
mendapat :
0,142 x 1 = 0,142 m3 CO2
0,142 x 2 = 0,284 m3 H2O 0,142 x 7,52 = 1,608 m3 N2
Untuk pembakaran CO (0,36 m3 CO) mendapat : 0,36 x 1 = 0,36 m3 CO2 0,36 x 1,88 = 0,676 m3 N2 Untuk pembakaran H2 (0,405 m3 H2) mendapat : 0,405 x 1 = 0,405 m3 H2O 0,405 x 1,88 = 0,762 m3 N2
Dari O2 (0,005 m3 O2) mengandung juga.
2 3 N m 0,019 0,21 0,79 x 0,005 =
CO2 dari bahan bakar = 0,059 m3 CO2
Jadi hasil pembakaran dari 1 m3 bahan bakar adalah : gas N2 = 1,068 + 0,676 + 0,762 + 0,029 – 0,019 = 2,5435 – 0,019 = 2,526 m3/ m3 bahan bakar gas CO2 = 0,142 + 0,436 + 0,059 = 0,561 m3/ m3 bahan bakar gas H2O = 0,284 + 0,405 = 0,689 m3/ m3 bahan bakar Jumlah total gas pembakaran :
= 2,516 + 0,561 + 0,689 = 43,766 m3/ m3 bahan bakar Perhitungan dalam prosen.
66,8% 100% x 3,766 2,561 N 18,28% 100% x 3,766 0,689 O H 14,9% 100% x 3,766 0,561 CO 2 2 2 = = = = = =
D. Pengaruh Emisi Gas Buang Bagi Lingkungan
Polusi adalah terjadinya pencemaran yang menyebabkan rusaknya ekologi lingkungan dan kelestarian alam. Ada tiga komponen pokok untuk dapat disebut sebagai pencemaran, yaitu : (1) lingkungan yang terkena adalah lingkungan hidup manusia, (2) yang terkena dampak negatif secara langsung adalah manusianya, dan (3) di dalam lingkungan tersebut terdapat bahan yang berbahaya akibat dari aktivitas manusia.
Berdasar dari ketiga komponen pokok tersebut, maka konsep pencemaran lingkungan hidup berbunyi : Pencemaran akan terjadi apabila dalam lingkungan hidup manusia, baik lingkungan fisik, biologi maupun lingkungan sosialnya tedapat suatu bahan dalam konsentrasi sedemikian besar, yang dihasilkan oleh proses aktivitas kehidupan sendiri, yang akhirnya merugikan kehidupan manusia (Abdurrahman, 1989).
Pencemaran alam ini secara garis besar dapat diklasifikasikan menjadi : pencemaran udara, pencemaran air, pencemaran tanah, pencemaran karena penggunaan bahan-bahan sintetis, dan pencemaran akibat zat tambahan pada makanan. Adapun sumber-sumber polusi yang utama adalah di lapangan sumur minyak yang terjadi pertumpahan sejak dari pengeboran wel (sumur minyak), sampai pada proses pengilangan, bahkan kadang-kadang pada langkah transportasi terjadi bencana yang berakibat polusi atau pencemaran. Di samping itu, gas buang dari kendaraan bermotor dan limbah industri adalah sangat mencemari udara kota. Hal ini disebabkan partikel-partikel karbon gas buang menyebabkan perubahan keseimbangan unsur-unsur alamiah udara, dan menyebabkan tumbuh-tumbuhan kuang mampu berfotosinthesa, akibat penetrasi cahaya matahari terhalang oleh bertambahnya partikel-partikel penyebab polusi udara.
Gas buang hasil pembakaran dari motor bakar baik itu motor bensin maupun motor diesel, kedua-duanya merupakan sumber penyebab pencemaran udara. Hasil pembakaran bahan bakar (hidrokarbon) dengan udara (O2) yang menghasilkan kalori sebagai daya untuk mesin itu sendiri, juga menghasilkan sisa-sisa dari proses pembakaran yang berupa asap yang terdiri dari gas : CO2, CO, H2O, N2, OH, NO, dan CH4 yang dampaknya dapat kita rasakan. Kalau kita amati berdasar pada unsur-unsur yang terkandung pada gas asap, dapat diklasi-fikasikan sebagai berikut : (1) Gas CO2 dan C akan menunjukkan warna asap yang hitam, karena terlalu banyak karbon sebagai kemungkinan bahan bakar terbakar tidak sempurna yang terjadi pada saat penambahan kecepatan dan daya pada mesin kendaraan, ini disebut acselerasi, (2) Untuk gas H2O dan H2 akan menyebabkan warna asap yang keputih-putihan, karena pada bahan bakar mengandung air, dan (3) Gas asap yang banyak mengandung campuran H2O, H2, dan CH4 yang cukup besar dengan CO2 dan C akan menunjukkan warna abu-abu, hal ini terbukti adanya oli yang ikut terbakar.
BAB V.
UDARA PEMBAKARAN
Udara dibutuhkan dalam proses pembakaran karena mengandung zat pembakar dan juga terdapat bermacam gas lain. Prosentase menurut volume gas-gas yang terkandung pada udara adalah: (1) Zat pembakar (zat asam) ± 21%, (2) Zat lemas (nitrogen) ± 79%, dan (3) Gas + kotoran ± 1%. Unsur-unsur kandungan udara berdasar prosentase beratnya: (1) Zat pembakar (zat asam) ± 23,2%, (2) Zat lemas (nitrogen) ± 76,8%, dan (3) Gas + kotoran ± 1%. Dengan demikian di dalam proses pembakaran dipelajari tentang udara pembakaran, Pengaruh pencemaran lingkungan, persyaratan kesehatan, dan adanya uji Coba dari Eropa.
DESKRIPSI:
Materi yang akan dipelajari dalam bab V. Ini meliputi tentang: (1) Udara pembakaran, (2) Pengaruh pencemaran lingkungan, (3) Persyaratan kesehatan, dan (4) Uji Coba dari Eropa tentang kelayakan pembakaran.
TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS.
Setelah mempelajari materi pada bab V. mahasiswa dapat mengetahui tentang: (1) menyebutkan komposisi dan kebutuhan udara dalam pembakaran, (2) mengetahui adanya pengaruh pencemaran lingkungan oleh pembakaran, dan (3) mengetahui persyaratan pembakaran.
BAB V. UDARA PEMBAKARAN