Kebakaran dan Ledakan

(1)

1

Fakultas Teknologi Industri - ITB

Kebakaran dan Ledakan

Hary Devianto, Ph.D

Dr. Eng. Pramujo Widiatmoko

TK4103 KESELAMATAN PABRIK PROSES

(2)

2

KEBAKARAN DAN LEDAKAN

Seorang engineer harus familiar dengan:

• Sifat Kemudahan terbakar dan Meledaknya suatu material

• Proses kebakaran dan ledakan Alami

• Prosedur untuk mengurangi bahaya kebakaran dan ledakan

(3)

3

SEGITIGA API ( FIRE TRIANGLE )

• Fuels

- liquid : bensin, acetone, eter, pentena - solid : plastik, kayu, fiber, partikel metal - Gas : asetilen, propane, CO, hidrogen

• Oksidator

- Gas : oksigen, flourin, clorin

- Liquid : H₂O₂, asam nitrat, asam perklorit - solid : metal peroksida, amonium nitrat

• Sumber Penyulut

bunga api, flame, listrik statis, panas

(4)

4

• Pembakaran (combustion) terjadi pada kondisi uap

• Gas langsung terbakar

• Cairan akan menjadi volatil dulu

• Padatan akan terdekomposisi menjadi gas sebelum pembakaran

(5)

5

Perbedaan Kebakaran dan Ledakan

• Perbedaan utama : Kecepatan Pelepasan energi.

> Kebakaran melepaskan energi lebih lambat dari pada ledakan

(6)

6

Definisi

• Kebakaran (Combustion / fire) : reaksi kimia dari suatu bahan yang bergabung dengan oksidator dan melepaskan energi.

• Temperatur autoignisi : temperatur dimana terdapat energi cukup untuk menyediakan sebuah sumber penyulutan.

• Flash point : temperatur terendah dimana cukup memberikan uap yang tercampur dengan udara untuk terbakar

• Fire Point : temperatur terendah dimana pada saat tersebut uap di atas liquid langsung terbakar.

• fire point > flash point

(7)

7

Definisi

• Flammability limit : batas komposisi antara uap dan udara dapat terbakar.

> Flammability limit berada diantara batas bawah lower flammable limit (LFL) dan upper flammable limit (UFL).

• Ledakan : ekspansi secara cepat dari suatu gas yang menghasilkan tekanan yang bergerak cepat atau gelombang tekanan.

• Mechanical expansion : ledakan yang dihasilkan dari kegagalan tiba-tiba dari sebuah bejana yang memuat nonreaktif gas bertekanan tinggi.

• Deflagrasi : ledakan dimana reaksi awal bergerak pada kecepatan yang lebih rendah dari kecepatan suara dalam medium nonreaktif.

• Detonasi : ledakan dimana reaksi awal bergerak pada kecepatan yang lebih cepat dari kecepatan suara dalam medium nonreaktif.

(8)

8

Definisi

• Confined explosion : ledakan terjadi dalam vessel atau gedung.

• Unconfined explosion : Ledakan yang terjadi di ruang terbuka.

• Boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE), ledakan yang terjadi akibat pecahnya suatu vessel yang memuat suatu liquid dengan temperatur di atas titik didih normalnya.

• Dust explosion : ledakan yang terjadi akibat kebakaran cepat dari partikel padat halus.

• Shockwave : tekanan gelombang kasar bergerak melalui gas.

• Overpressure : Tekanan pada suatu objek sebagai hasil dari akibat shockwave.

(9)

9

Hubungan Antara Sifat Bakar dan Konsentrasi

(10)

10

Karakter Kemampuan Bakar Liquid dan Uap

• Liquid

- Flash point

- Estimasi Flash Point :

T

_f

= temperatur flash point (K) T

_b

= titik didih bahan (K)

a, b, dan c = konstanta yang tersedia pada tabel 6-1(K)

/ 2

( / )

(1 )

b

c T b

f c T

b c T e T a

e

−

= +

−

(11)

11

Karakter Kemampuan Bakar Liquid dan Uap

Chemical group a b c

Hydrocarbons 225.1 537.6 2217

alcohols 230.8 390.5 1780

Amines 222.4 416.6 1900

Acids 323.2 600.1 2970

Ethers 275.9 700 2879

Sulfur 238 577.9 2297

Esters 260.8 449.2 2217

Ketones 260.5 296 1908

Halogens 262.1 4714 2154

Aldehydes 264.5 293 1970

Phosphorus-containing 201.7 416.1 1666

Nitrogen-containing 185.7 432 1645

Petroleum fractions 237.9 334.4 1807

Tabel 6.1 Konstanta

(12)

12

Karakter Kemampuan Bakar Liquid dan Uap

Vapor dan Gas

- diperlukan LFLs dan UFLs - nilai batas campuran :

LFL_i = batas rendah kemampuan bakar untuk senyawa i (dalam persen volume)

UFL_i = batas maks. kemampuan bakar untuk senyawa i (dalam persen volume)

y_i = fraksi komponen i

n = jumlah bahan

1

mix n

i

i i

LFL y

=

LFL

= 

1

max n

i

i i

UFL y

=

UFL

= 

(13)

13

Karakter Kemampuan Bakar Liquid dan Uap

• Ketergantungan flammability limit terhadap Temperatur :

• Ketergantungan flammability limit terhadap tekanan

:

Untuk LFL pengaruh sangat kecil (< 50mmHg absolut)

( )

25

0.75 25

T

LFL LFL T

H

UFL UFL T

H

= − −



= − −



( )

20.6 log 1

UFL

P

= UFL − P +

(14)

14

Karakter Kemampuan Bakar Liquid dan Uap

Perkiraan Batas Flammabilitas

Untuk kebanyakan hidrokarbon vapor LFL dan UFL merupakan fungsi dari konsentrasi stoikiometri (C

^st

) dari bahan bakar

LFL = 0.55 C

^st

UFL = 3.50 C

^st

Cst = volume (%) bahan bakar dalam bahan bakar bercampur udara

(15)

15

Konsentrasi Oksigen Pembatas dan Inerting

(16)

16

Flammability Diagram

(17)

17

Flammability Diagram

Metode untuk memperkirakan daerah Flammabilitas :

Metode I ( Gambar 6-10): Diberikan batas flammabilitas di udara, LOC dan batas flammabilitas di oksigen murni, prosedurnya :

1. Gambar batas flammabilitas di udara sebagai titik pada garis udara

2. Gambar batas flammabilitas oksigen murni sebai titik pada skala oksigen

3. Gunakan pers 6-15 untuk meletakkan titik stoikiometri pada oxygen axis dan gambar garis stoikiometri dari titik ini ke 100 % nitrogen apex

4. Letakkan LOC pada oxygen axis dan gambar garis sejajar dengan fuel axis sampai berpotongan dengan garis

stoikiometri. Gambar titik pada perpotongan ini.

5. Hubungkan semua titik yang ada

(18)

18

Flammability Diagram

Metode 2 (gambar 6-11) : Diberikan batas flammabilitas di udara dan LOC.

Prosedur nya :

• Gunakan tahap 1, 3, dan 4 dari metode 1

• Pada kasus ini hanya titik yang ada pada ujung daerah flammabilitas dapat dihubungkan.

(19)

19

Flammability Diagram

Metode 3 (gambar 6-12) : Diberi data batas flammabilitas di udara.

Prosedur:

Gunakan tahap 1 dan 3 dari metode 1.

Perkirakan LOC dari pers 6-16

(20)

20

Energi Penyulutan ( Ignition Energy )

• Energi Penyulutan Minimum (Minimum ignition energy/MIE) adalah input energi minimum yang dibutuhkan untuk inisiasi pembakaran.

• MIE bergantung pada jenis senyawa kimia atau campuran, konsentrasi, tekanan dan temperatur

• Data eksperimen menunjukkan :

1. MIE turun dengan peningkatan tekanan

2. Peningkatan konsentrasi nitrogen meningkatkan MIE

3. MIE dari abu, secara umum, pada tingkatan energi yang lebih tinggi daripada gas mudah terbakar

Tabel 6-4 menunjukkan MIE dari beberapa material.

(21)

21

Autoignisi dan Autooksidasi

• Temperatur auto ignisi (AIT) dari vapor adalah temperatur dimana vapor tersulut secara spontan dari energi lingkungan

• Temperatur autoignisi adalah fungsi dari konsentrasi vapor, tekanan sistem, adanya katalis dan kondisi aliran

• Volume sistem ↑ AIT ↓, konsentrasi oksigen ↑ AIT ↓

• Autooksidasi adalah proses oksidasi lambat dengan menyertakan perubahan panas, kadang-kadang menyebabkan autoignisi jika energi tidak dipindahkan dari sistem.

• Sebagian besar api tersulutkan dari hasil auto oksidasi dinamakan pembakaran secara

spontan

(22)

22

LEDAKAN

Parameter signifikan yang mempengaruhi terjadinya Ledakan

Temperatur ambient Tekanan ambient

Komposisi material yang mudah meledak Sifat fisik dari material yang mudah meledak Sumber ignisi : tipe, energi, dan durasi

Geometri Lingkungan : confined atau unconfined Jumlah combustible material

Turbulensi combustible material Waktu sebelum ignisi

(23)

23

LEDAKAN

Detonasi dan Deflagrasi

(24)

24

Ledakan

• Confined Explosion

- Terjadi pada confined space seperti : vessel atau bangunan

- Dua karakteristik confined explosion yang sering terjadi adalah : ledakan vapor dan ledakan dust.

- Karakterisitik ledakan bergantung pada material ledakan yang digunakan dan mencakup batas flammabilitas atau ledakan, laju kenaikan tekanan setelah campuran flammable tersulutkan dan tekanan maksimum setelah ignisi

- Karakteristik ini ditentukan dengan peralatan laboratorium terlihat pada fig 6-14 dan 6-17 dan hasilnya terlihat pada fig 6-15, 6-16, 6-18

(25)

25

Ledakan

(26)

26

Ledakan

(27)

27

Ledakan

(28)

28

Ledakan

(29)

29

Ledakan

• Karakter ledakan ditentukan menggunakan aparatus ledakan uap dan debu dengan cara:

• Batas flammabilitas atau daya ledak digunakan untuk menentukan konsentrasi aman atau jumlah inert yang dibutuhkan untuk mengontrol konsentrasi berada dalam

rentang yang aman

• Peningkatan kecepatan maksimum tekanan mengindikasikan kekuatan sebuah ledakan.

Plot dari log tekanan maks vs log volume vessel menghasilkan garis lurus dengan slope - 1/3, terlihat pada fig 6-19 dan dinyatakan dengan pers Cubic Law :

= konstan

Kg dan Kst adalah indeks deflagrasi untuk gas dan dust

(

^dP^/^dt

)

_max^V ¹^/³ ⁼ ^K_G

(

^dP^/^dt

)

_max^V ¹^/³ ⁼ ^K_st

(30)

30

Ledakan

(31)

Ledakan

• Ekuivalen TNT

- metode sederhana untuk menyamakan energi pembakaran bahan bakar terhadap massa TNT

- persamaan ekuivalen TNT :

m_TNT : massa TNT

 : efesiensi ledakan empiris m : massa hydrokarbon

H_c : energi ledakan dari gas E_TNT : energi ledakan TNT

c TNT

TNT

m m H

E

 

=

(32)

Ledakan

Prosedur untuk memperkirakan kerusakan akibat ledakan dengan metode ekuivalensi TNT : 1. Tentukan jumlah total material yang mudah terbakar dalam ledakan

2. Perkirakan efisiensi ledakan dan hitung massa ekuivalen TNT dengan pers.

3. Gunakan aturan skala yang diberikan pada pers 6-21 dan gambar 6-23 untuk memperkirakan letak kebocoran pada saat overpressure

4. Gunakan tabel 6-9 untuk memperkirakan kerusakan pda peralatan proses dan struktur.

c TNT

TNT

m m H

E

 

=

(33)

33

Ledakan

(34)

Ledakan

• Ledakan Kimia

disebabkan karena pemanasan termal dari reaksi produk dan perubahan dalam jumlah mol reaksi tersebut.

• Ledakan mekanik

reaksi tidak terjadi, energi berasal dari kandungan energi dalam bahan itu, contoh ledakan tangki gas bertekanan tinggi.

Terdapat 4 metode untuk mengestimasi dampak ledakan:

1. Brode’s equation (pendekatan sederhana), 2. Isentropic equation,

3. Isotermal equation,

(35)

Ledakan

Pers. Brode:

(

2 1

)

1 P P V

E 

= −

−

E = energi ledakan P1 = tekanan ambient, P2 = tekanan vessel

V = volume ekspansi gas dalam vessel

 = rasio kapasitas panas gas

(36)

Ledakan

Persamaan isentropik :

Persamaan isotermal :

Persamaan ketersediaan termodinamis :

( )^{1 /}

2 1

2

1 1

PV P

E P

 



  

−



  

=   −     −     

2 2

1 2

1 1

ln ln

g

P P

E R T PV

P P

   

=   =  

   

2 1

2

ln P 1 P

E PV P P

       

=        − −             

(37)

37

Ledakan

(38)

38

Ledakan

• Missile Damage :

dapat disebabkan confined explosion dan unconfined explosion, dapat menjadi propagator dalam kecelakaan pabrik, gambar 6-26 menunjukkan hubungan empiris antara ledakan massa terhadap rentang maksimum tiap fragmen dalam pabrik.

(39)

39

Ledakan

(40)

40

Ledakan

Vapor Cloud Explosion (VCE)

Ledakan paling berbahaya dan merusak dalam industri kimia. Tahapan : - pelepasan mendadak sejumlah besar uap bahan mudah terbakar,

- dispersi uap sepanjang lokasi pabrik sekaligus berlangsung dengan udara

- penyulutan menghasilkan vapor cloud.

(41)

41

Terima Kasih

06