4- Hand Out UTILITAS - Pembakaran

(1)

PEMBAKARAN

Hand Out Kuliah Hand Out Kuliah ITK-423 UTILITAS ITK-423 UTILITAS

(Oleh : Antonius D.A. Feryanto) (Oleh : Antonius D.A. Feryanto)

JURUSAN TEKNIK KIMIA - ITENAS JURUSAN TEKNIK KIMIA - ITENAS

(2)

Tujuan Pembelajaran Khusus

(TPK)

Mahasiswa mampu menjelaskan

mekanisme penyediaan energi termal

(pembakaran)

(3)

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,

(4)

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

(5)

Reaksi Pembakaran

•

Pembakaran unsur C

2C + O2  2 CO , DH = -110380 kJ/kml C 2CO + O2  2CO2 , 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.

(6)

•

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)

•

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.

(8)

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.

th, m, d = theoritical, mass, dry

d m th F A massa , , ) (        udara dalam O2 massa % bakar bahan kg per udara dari dibutuhkan yang O2 , ,         kg F A d m th 232 . 0 998 . 0 94 . 7 66 . 2 ₂ ₂ , , O S H C F A d m th          

(9)

•

Bahan bakar gas/cair



lebih mudah

dinyatakan dalam besaran molar.

Perbandingan Udara

–

Bahan Bakar Teoritis

udara dalam O2 mol -% bakar bahan mol per udara dari dibutuhkan yang O2 mol , ,        d mol th F A 21 . 0 5 . 0 25 . 0 , , O S H C d mol th Z Z Z Z F A _         

th, mol, d = theoritical, molar, dry Contoh : C₈H₁₈

Z_c = 8 , Z_H = 18

Atau  50% CH4 , 40% C2H6 , 5% H2S , dan 5% O2. maka, Z_c = (50%*1)+(40%*2) = 1.3

Z_H = (50%*4)+(40%*6)+(5%*2) = 4.5 Z_S = (5%*1) = 0.05

(10)

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

(11)

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.

(12)

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%

(13)

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

(14)

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

(15)

Beberapa analisis untuk mengetahui

efektivitas pembakaran

•

Analisis ultimasi



C, H2, O, N, S

•

Analisis flue gas / orsat



CO, CO2, O2, N2

(16)

Komponen-komponen gas buang/flue

gas/gas hasil pembakaran

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

(17)

ANALISIS GAS BUANG

(18)

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

% 100 HHV kar tak terba % sisa x HHV C carbon   % 100 778 . 32 HHV kar tak terba % C  sisa x

(19)

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%

(20)

Perbandingan udara-bahan bakar aktual

(batubara)

768 .

0 1)

%CO2)(12.0

(%CO

16)

(%N2)(28.0

, ,































b f d m act

N

C

F

A

%N2, %CO, dan % CO2  dari analisis orsat/gas buang N_f kadar nitrogen dalam batubara (analisis ultimasi) C_b  fraksi karbon yang terbakar (dari analisis sisa)

0.768  fraksi massa nitrogen dalam udara 28.016  BM N₂

12.01  BM Carbon

(21)

Perbandingan udara-bahan bakar aktual

(BBM atau BBG)

79 .

0

5 .

0 %CO2)

(%CO

(%N2)

, ,































c N d mol act

Z

F

A

%N2, %CO, dan % CO2  dari analisis orsat/gas buang Z_N  mol atom N per mol bahan bakar

Z_C  mol atom C per mol bahan bakar

0.79  fraksi mol nitrogen dalam udara

(22)

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% O = 3.3% N = 1.4% S = 2.5%

(23)

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.

(24)

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, 30o_C

(dalam kJ/kg)

c. Jika gas alam tersebut dibakar dengan laju 20 m3/jam, tentukan laju emisi gas polutan CO.

(25)

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