DIKTAT KULIAH TEKNIK PEMBAKARAN (TMT3731)

Surat Keputusan Dekan Fakultas Teknologi Industri Institut Sains &

Teknologi AKPRIND Yogyakarta Nomor: 058/SK/Dek/FTI/III/2021 tentang Penugasan Dosen Dalam Pengembangan Program Kuliah &

Bahan Pengajaran Semester Genap T.A. 2020/2021.

Nomor: 168.A/ST/TM/III/2021

16 Maret 2021

DIKTAT KULIAH

TEKNIK PEMBAKARAN (TMT3731)

Dr. A. A. Putu Susastriawan, S.T., M.Tech.

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri INSTITUT SAINS DAN TEKNOLOGI AKPRIND

2021

ii

KATA PENGHANTAR

Puji syukur dipanjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat dan anugerahNya sehingga Diktat Kuliah Teknik Pembakaran ini dapat diselesaikan. Teknik Pembakaran merupakan mata kuliah wajib keahlian prodi Teknik Mesin Institut Sains dan Teknologi AKPRIND. Diktat ini berisikan materi kuliah yang diberikan dalam pembelajaran di kelas, seperti bahan bakar, stoichiometric, thermochemistry, flame, dan emisi pembakaran. Diktat ini tentunya

dilengkapi dengan contoh soal dan penyelesaiannya serta soal soal latihan sehingga membantu mahasiswa dalam memahami setiap materi didalamnnta. Akhir kata, semoga Diktat Kuliah Teknik Pembakaran ini dapat bermanfaat bagi mahasiswa khususnya yang mengambil mata kuliah Teknik Pembakaran.

Penulis

A. A. Putu Susastriawan Yogyakarta, 3 April 2021

iii

DAFTAR ISI

Halaman Sampul i

Kata Penghantar ii

Daftar Isi iii

I. Bahan Bakar 1

II.Stoichiometric 16

III.Thermochemistry 30

IV.Flame 43

V. Emisi Pembakaran 51

Daftar Pustaka 55

IST. AKPRIND | 1

I. BAHAN BAKAR

Bahan bakar (Fuel) adalah suatu zat yang jika bercampur dengan oksidan dan dibakar akan terjadi reaksi kimia sehingga dapat melepaskan sejumlah energi panas.

Bahan bakar hidrokarbon mengandung unsur utama Karbon dan Hidrogen. Dalam bahan bakar, elemen-elemen yang bisa terbakar adalah Karbon (C), Hidrogen (H), dan Sulphur (S)

Syarat Umum Bahan Bakar

- Tersedia dalam jumlah yang banyak - Harga relatif murah

- Nilai kalor yang tinggi - Emisi rendah

- Storage and handling yang mudah

Jenis dan Contoh Bahan Bakar Bahan Bakar Gas (Gaseous Fuels) - Gas alam (natural gas)

- LNG (Liquefied Natural Gas) - CNG (Compressed Natural Gas) - LPG (Liquefied Petroleum Gas) - Producer gas, dll

Bahan Bakar Cair (Liquid Fuels) - Bensin (gasoline)

- Solar (diesel)

- Minyak tanah (kerosene)

IST. AKPRIND | 2 - Liquid propellant

- Ethanol - Methanol, dll

Bahan Bakar Padat (Solid Fuels) - Batubara (Coal)

- Biomassa

- Solid propellant, dll

Bahan Bakar Gas

(A) Fuels naturally found in nature Natural gas/gas alam

- Ditemukan di bebatuan berporos dalam kondisi terkompresi secara sendirian atau bersama-sama dengan minyak mentah dalam kondisi terlarut.

- Komponen 95 % Metana (CH4) sebagai unsur utama dan Sisanya 5 % berupa Etana (C²H⁶), Propana (C³H⁸), Butana (C⁴H¹⁰), Karbondiosida (CO²), Nitrogen (N2) dalam jumlah lebih kecil.

- Tidak mengandung Sulfur (S)

LNG (Liquefied Natural Gas).

- Gas alam yang dicairkan untuk memudahkan penyimpanan dan transportasi - Diperoleh dengan kondensasi gas alam sampai -160⁰C

CNG (Compressed Natural Gas).

- CNG dibuat dengan melakukan kompresi Metana (CH⁴) yang diekstrak dari Gas alam

- Di Indonesia dikenal dengan BBG (Bahan Bakar Gas) - Bejana tekan sebagai tangki penyimpanan (200 bar)

IST. AKPRIND | 3 LPG (Liquefied Petroleum Gas)

- Diproduksi dari suatu sumur minyak dengan kandungan utama propana (C³H⁸) dan butana (C4H10).

- LPG diangkut dan disimpan pada tekanan tinggi (200 psia) - Dapat digunakan untuk bahan bakar otomotif

- Efisiensi lebih besar karena tahan kompresi tinggi

Keunggulan Bahan Bakar Gas - Tidak ada residu atau ash

- Mudah bercampur dengan oksigen - Mudah dikontrol secara otomatis

- Sangat responsive terhadap pembebanan

Kekurangan Bahan Bakar Gas

- Membutuhkan tangki penyimpanan yang besar

(B) Fuel gases made from solid fuel - Gases derived from coal

- Gases derived from waste and biomass - From other industrial processes

(C) Gases made from petroleum - Liquefied Petroleum gas (LPG) - Refinery gases

- Gases from oil gasification

IST. AKPRIND | 4 (D) Gases from some fermentation

- Biogas

Bahan Bakar Cair (Liquid Fuels)

Merupakan senyawa Hidrokarbon mulai dari hidrokarbon ringan sampai hidrokarbon berat (rantai karbonnya), misal CH4 sampai C62H126. Petroleum digunakan sebagai bahan bakar baik yang masih mentah (crude oil) maupun yang sudah diolah (Petroleum Refining Product) misal Gasoline

Gambar 1.1. Destilisai Crude Oil

Properties Bahan Bakar Cair Density

Rasio antara massa bahan bakar terhadap volumenya pada temperature 15⁰C, (kg/m³). Berguna untuk menentukan kuantitas dan kualitas bahan bakar

Specific gravity (S.G)

Perbandingan antara berat bahan bakar terhadap berat air pada 4⁰C (SG air adalah 1).

S.G dapat diukur dengan Hydrometer

IST. AKPRIND | 5 Tabel 1.1. Specific gravity beberapa bahan bakar cair

Fuel oil type Specific Gravity LDO (Light Diesel Oil) 0.85-0.87

Furnace oil 0.89-0.95

LSHS (Low Sulphur Heavy Stock) 0.88-0.98

Gambar 1.2. Temperatur Auto-Ignition minimum bahan bakar Hidrokarbon (ºC)

Bahan Bakar Solid

Dibandingkan dengan bahan bakar gas atau cair, bahan bakar padat mengandung impurity berupa air, abu, nitrogen dan sulfur dalam jumlah yang signifikan

IST. AKPRIND | 6 Jenis-jenis bahan bakar padat

Biomassa

dapat dibagi menjadi kayu dan non-kayu. Misal: gerajen kayu, bagase (ampas tebu), sekam padi, kulit buah, dll.

Peat

berasal dari daun-daunan, ranting, atau batang tumbuhan yang membusuk.

Batubara

berasal dari fosil biomassa yang telah terkubur selama ratusan ribu tahun. Batubara dapat diklasifikasikan berdasarkan rangking dan grade.

Cokes

Didapat dari solid residue yang tertinggal setelah dilakukan destructive distillation pada batubara.

Briquettes (Briket)

Dibuat dari coke yang dikompressi menjadi bentuk-bentuk tertentu dengan bahan pengikat tar. Digunakan untuk pemakaian rumah tangga

Jenis-jenis batubara 1. Lignite

berwarna coklat kehitam-hitaman dan termasuk ranking rendah. Secara kimiawi sifatnya mirip dengan peat (sampah tanaman) yaitu banyak mengandung air dan unsur volatil (volatile matter). Secara fisis lignite mudah pecah.

2. Subbituminous

berwarna hitam kusam. Kandungan air lebih sedikit dibanding dengan lignite.

3. Bituminous

berwarna hitam gelap dengan kandungan air yang rendah dan kandungan unsur volatil tinggi sampai medium. Bitumious lebih tahan terhadap cuaca dibanding lignite dan subbituminous.

IST. AKPRIND | 7 4. Anthracite

berujud keras, mudah retak, dan mengkilap. Hampir tidak mengandung air atau volatil.

Tabel 1.2. Persentase oksigen, air, dan abu solid fuels

Tabel 1.3. Persentase fixed carbon dan volatile matter batubara Jenis Batubara Fixed Carbon Volatile Matter

Anthracite 85-98% <8%

Semi-Anthracite 86-92% 8-14%

Bituminous 78-86% 25-35%

Sub Bituminous 69-78% 35-45%

Lignite > 45%

IST. AKPRIND | 8 Properties bahan bakar padat

Untuk pengetahui properties bahan bakar padat, dilakukan uji proksimat dan uji ultimate

Uji Proksimat

Pengujian yang dilakukan untuk mengetahui persentase moisture, volatile matter, fixed carbon, dan ash suatu bahan bakar padat.

Uji Ultimat

Pengujian yang dilakukan untuk mengetahui semua elemen penyusun bahan bakar solid (Carbon, Hidrogen, Oksigen, Nitrogen, Sulfur, Ash), termasuk kadar air

Uji Nilai Kalor

Pengujian yang dilakukan untuk mengetahui nilai kalor bahan bakar. Pengujian dilakukan dengan bomb calorimeter

Tabel 1.4. Contoh hasil uji proksimat batubara (dalam persen)

Tabel 1.5. Contoh hasul uji ultimate batubara (dalam persen)

IST. AKPRIND | 9 Heating Value (Nilai Kalor)

Heating Value (HV) adalah jumlah kalor atau panas yang dihasilkan dari pembakaran sempurna 1 satuan unit massa (solid & liquid fuels) atau 1 satuan volume (gaseous fuels).

HV disebut pula dengan Calorific Value (CV). Satuan HV adalah kJ/kg (Metric Unit) dan Btu/lb (British Unit), atau untuk gaseous fuel: kJ/m³, Btu/ft³. Ada dua jenis HV, yaitu Higher Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV). HV dapat diukur dengan Calorimeter atau dihitung dengan Dulong’s Formula jika Propertis Ultimat bahan bakar sudah diketahui

Misal reaksi kimia pembakaran H² dengan Oksigen 2 H2 + O2 → 2 H2O + Heat

Pembakaran H² tersebut menghasilkan air (H²O) didalam product pembakaran. Air tersebut bisa tetap dalam keadaan uap (H2O(g)) atau jika didinginkan akan mengembun menjadi cairan (H²O ^(l)). JIka H²O^(l) terdapat dalam product pembakaran saat pengujian maka disebut Higher Heating Value (HHV). Higher Heating Value (HHV) disebut juga dengan Gross Calorific Value (GCV). Sedangkan jika H2O(g) terdapat dalam product pembakaran saat pengujian maka disebut Lower Heating Value (LHV). Lower Heating Value (LHV) disebut juga Net Calorific Value (NCV)

Jika HHV bahan bakar diketahui, LHV bahan bakar tersebut dapat dihitung dengan rumus berikut

LHV = HHV – (m^s x 2466) (kJ/kg) LHV = HHV – (9xH2 x 2466) (kJ/kg) LHV = HHV – (m^sx 1040) (Btu/lb)

Dimana ms adalah kg air yang terbentuk tiap 1 kg bahan bakar atau lb air yang terbentuk tiap 1 lb bahan bakar dan H² adalah persentase hidrogen dalam bahan bakar

IST. AKPRIND | 10 Contoh Soal

1. Diketahui komposisi massa suatu bahan bakar sebagai berikut: 85% Carbon, 12,5%

Hidrogen, 2,5% residual matter. Hitunglah higher heating value dan lower heating value bahan bakar tersebut

Penyelesaian

2. Komposisi massa hasil uji ultimate analysis batubara sebagai berikut: C = 75% ,H² = 6%, O2 = 8%, N2 = 2,5%, S = 1,5%, Ash = 7%. Hitungah higher dan lower heating value batubara tersebut

IST. AKPRIND | 11 Penyelesaian

Oxygen Bomb Calorimeter

Gambar 1.3. Oxygen bomb calorimeter

IST. AKPRIND | 12 Nilai kalor sampel dihitung dengan rumus

Dimana

c^w = specific heat air (4,2 kJ/Kg.K)

m^w = massa air didalam kalorimeter (kg) me = ekivalen air apparatus (kg)

t¹ = temperature awal air (⁰C) t2 =temperature akhir air (⁰C) m^f = massa sample fuels (kg)

Gas Calorimeter

Gambar 1.4. Gas calorimeter

Nilai kalor sampel dihitung dengan rumus

Dimana

cw = specific heat air (4,2 kJ/Kg.K)

IST. AKPRIND | 13 m^w = massa air pendingin (kg)

t3 = temperature inlet air (⁰C) t4 =temperature outlet air (⁰C)

v= volume gas yang terbakar pada kondisi STP (m³) STP = Standard Temperature & Pressure (15⁰C, 1 atm)

Contoh Soal

3. Satu gram spesimen batubara (coal) dengan 6% Hidrogen diuji didalam bomb kalorimeter dengan ekivalen air apparatus 390 gram dan air isian kalorimeter 2,5 kg.

Jika setelah pengujian kenaikan temperature air adalah 2.6⁰C, maka berapa higher heating value dan lower heating value coal tersebut?

Penyelesaian:

IST. AKPRIND | 14 4. Berikut adalah data pengujian bahan bakar gas dalam gas calorimeter: Volume gas

terbakar 0,7 m³ pada STP (15⁰C, 1 atm), massa air pendingin 5 kg, kenaikan temperature air pendingin 14⁰C dan massa uap air hasil pembakaran 0,028 kg.

Hitunglah higher heating value dan lower heating value bahan bakar gas tersebut tersebut!

Penyelesaian:

IST. AKPRIND | 15 Soal Latihan

1. Hasil uji ultimat Fuel A dan Fuel B seperti terlihat pada tabel, hitunglah HHV dan LHV kedua bahan bakar tersebut!

Komposisi by mass Fuel A (%) Fuel B (%)

C 85 91

H2 10 3

O2 - 2

N2 - 0,8

S 2 0,8

Ash 3 2,4

2. Satu gram spesimen batubara (coal) dengan 4% Hidrogen diuji didalam bomb kalorimeter dengan ekivalen air apparatus 0,75 kg dan air isian kalorimeter 2,5 kg.

Temperature air sebelum dan sesudah pengujian masing-masing 17,5⁰C dan 20⁰C.

Hitunglah berapa higher heating value dan lower heating value coal tersebut!

IST. AKPRIND | 16

II. STOICHIOMETRIC

Stoichiometric mempelajari reaksi kimia pembakaran dan parameter parameter pembakaran, seperti air-fuel ratio, udara pembakaran, equivalence ratio, dan lainnya.

Reaksi Pembakaran

Reaksi pembakaran atau pembakaran (combustion) adalah reaksi oksidasi yang berlangsung sangat cepat yang menghasilkan panas (heat) disertai cahaya (flame) ataupun reaksi oksidasi yang berlangsung lambat yang menghasilkan sedikit panas tanpa disertai cahaya

Tiga unsur yang harus ada dalam pembakaran:

1. Bahan Bakar (Fuel) 2. Oksigen (Oxidizer) 3. Heat source (Igniter)

Gambar 2.1. Segitiga pembakaran

Reaksi Oksidasi

Oksidasi adalah reaksi kimia yang melibatkan oksigen (oxidizer). Reaksi oksidasi merupakan reaksi exothermic yaitu reaksi yang menghasilkan kalor/panas (heat). Udara

IST. AKPRIND | 17 mengandung oksigen sehingga udara paling sering digunakan sebagai oxidizer dalam pembakaran.

Berat Atom (BA) dan Berat Molekul (BM)

Tabel 2.1. Berat atom dan berat molekul

Unsur Simbol BA Senyawa Simbol BM

Argon Ar 40 Carbon dioxide CO2 44

Carbon C 12 Carbon monoxide CO 28

Atomic Hydrogen H 1 Molecular Hydrogen H² 2

Atomic Nitrogen N 14 Molecular Nitrogen N2 28

Atomic Oxygen O 16 Molecular Oxygen O² 32

Sulfur S 32 Sulfur Dioxide SO² 64

Water H²O 18

Udara

Komposisi Udara Atmosfer

Tabel 2.2. Komposisi udara atmosfer

Udara Atmosfer Molar fraction Mass fraction MW

Nitrogen (N2) 0,781 0,756 28

Argon (Ar) + Carbondiosida (CO2) 0,009 0,012 40

Oksigen (O2) 0,21 0,232 32

Komposisi Udara Pembakran

Komposisi udara yang digunakan dalam analisa pembakaran Tabel 2.2. Komposisi udara pembakaran

Udara Pembakaran Molar fraction Mass fraction MW

Nitrogen (N2) 0,79 0,77 28

Oksigen (O2) 0,21 0,23 32

IST. AKPRIND | 18 Ratio O² & N² dalam udara Oxidizer

O2 : N2 = 0,21 : 0,79 = 1 : 3,76 (by volume) O² : N² = 0,23 : 0,77 = 1 : 3,35 (by mass)

Air-Fuel ratio

Proporsi antara udara dan bahan bakar disebut dengan Air-Fuel Ratio (dalam massa maupun dalam molar) Proporsi bahan bakar dan udara yang menghasilkan pembakaran sempurna disebut chemically correct mixture atau stoichiometric air-fuel ratio. Fuel Rich Mixture adalah campuran kelebihan bahan bakar (excess fuel). Fuel Lean Mixture adalah campuran kelebihan udara (excess air)

Udara Stoikiometri (Stochiometric Air)

Sering pula disebut dengan udara teoritis pembakaran.

Jumlah udara yang diperlukan untuk pembakaran sempurna (pembakaran stoikiometri) bahan bakar tertentu

IST. AKPRIND | 19

Stoichiometric Air-Fuels Ratio (A/F)

s

Perbandingan udara dan bahan bakar pada campuran stoichiometri, umumnya dalam perbandingan massa

Actual Air-Fuels Ratio (A/F)

Perbandingan udara dan bahan bakar, umumnya dalam perbandingan massa

Equivalence Ratio (Φ)

Perbaindingan antara Stoichiometric Air-Fuels Ratio dengan Actual Air-Fuels Ratio

Equivalence Ratio mengindikasikan jenis campuran bahan bakar-oxidizer.

- Rich Mixture (Φ >1), campuran dengan bahan bakar berlebih (excess fuel) - Stoichiometri Mixture (Φ = 1), campuran sesuai dengan stoichiometri - Lean Mixture (Φ< 1), campuran dengan udara berlebih (excess air)

Gambar 2.2. Jenis Campuran Fuels-Oxidizer

( )

fuels s udara

s m

A/F m 







=

( )

_







=

fuels udara

m A/F m

( )

( ) ( )

( )

_s

s

F/A F/A A/F

Φ= A/F =

IST. AKPRIND | 20 Udara Berlebih (Excess Air)

Guna tercapainya semua bahan bakar terbakar, maka dalam prakteknya digunakan udara yang berlebihan dari udara stoiciometri (excess air). Biasanya digunakan 10%- 60% excess air. Besarnya excess air tergantung dari 3T (Time, Temperature, dan Turbulence). Persentase Excees air dihitung dengan rumus

Stoichiometric Air-Fuel Ratio bahan bakar hidrokarbon

Bahan bakar hidrokarbon umumnya terdiri dari unsur utama Hidrogen dan Carbon, serta usur lainnya oksigen, nitrogen, dan sulfur. Misal bahan bakar hidrokarbon yang terdiri dari karbon, hydrogen dan oksigen, disimbolkan dengan CxHyOz. x, y, dan z masing masing menunjukkan jumlah atom karbon, hidrogen, dan oksigen dalam bahan bakar tersebut. Stoichiometric Air-Fuel Ratio dapat dihitung dengan persamaan berikut

Mass basis

Volume basis

Kesitimbangan Molar (Molar Balance) Reaksi Pembakaran Stoichiometric Mixture

C^xH^yO^z + m^s(O² + 3.76N²) n¹CO² + n²H²O + n⁶N² Molar Balance

Carbon : n¹ = x

Hydrogen : n² = y/2

( )

x100%

Φ Φ air 1

%excess −

=

IST. AKPRIND | 21 Oxygen : n¹ + 0.5n² = m^s + 0.5z

ms = n1 + 0.5n2 – 0.5z = x + y/4 – 0.5z

Nitrogen : n⁶ = 3.76m^s

Non-Stoichiometric Mixture

C^xH^yO^z + m(O² + 3.76N²) n¹CO² + n²H²O + n³CO+ n⁴H² + n⁵O² + n⁶N² Molar Balance

Carbon : n¹ + n³ = x Hydrogen : n2 + n4 = y/2

Oxygen : n¹ + 0.5n² + 0.5n³ + n⁵ = m + 0.5z Nitrogen : n6 = 3.76m

Fuel rich mixture

CxHyOz + m(O2 + 3.76N2) n1CO2 + n2H2O + n3CO+ n6N2

Molar Balance

Carbon : n1 + n3 = x Hydrogen : n² = y/2

Oxygen : n1 + 0.5n2 + 0.5n3 = m + 0.5z Nitrogen : n⁶ = 3.76m

Fuel lean mixture

C^xH^yO^z + m(O² + 3.76N²) n¹CO² + n²H²O + n⁵O² + n⁶N² Molar Balance

Carbon : n¹ = x Hydrogen : n2 = y/2

Oxygen : n¹ + 0.5n² + n⁵ = m + 0.5z Nitrogen : n6 = 3.76m

IST. AKPRIND | 22 Contoh Soal

1. Hitunglah Air-Fuel Ratio dan Fuel Air Ratio pembakaran stoichiometric mixture Carbon (C) dengan Udara

Penyelesaian

IST. AKPRIND | 23 2. Hitunglah jumlah udara yang diperlukan untuk mendapatkan campuran

stoichiometri Hidrogen (H2) + Udara jika Hidrogen yang dibakar 1 kg

Penyelesaian:

3. Hitunglah Air-Fuel Ratio dan Fuel Air Ratio Stoichiometri untuk pembakaran Bensin (gasoline/isooctane = C⁸H¹⁸).

Penyelesaian:

IST. AKPRIND | 24 Analisa Volumetric dan Analisa Gravimetric

Persentase volume (volumetric) dapat dikonversi ke persen massa (gravimetric) atau sebailnya.

Tabel 2.3. Volumetric vs Gravimetric

Analisa Volumetric Analisa Gravimetric menyatakan persentase volume

(composition by volume)

menyatakan persentase massa (composition by mass)

dapat dikonversi ke gravimetric dapat dikonversi ke volumetric

Contoh Soal

1. Diketahui komposisi flue gas (gas hasil pembakaran) by volume: 14% CO², 1% CO, 5%

O2, dan 80% N2. Ubahlah ke komposisi gravimetric (by mass)

Penyelesaian:

Volume dalam 1 m³ flue gas CO² =14% = 0,14

IST. AKPRIND | 25 CO = 1%=0,01

O2 =5%= 0,05 N² = 80% = 0,80

2. Diketahui gravimetri flue gas: 13,3%CO2, 0,95%CO, 8,35%O2, dan 77,4% N2. Ubahlah ke komposisi volumetric

Penyelesaian:

Analisa Gravimetric CO2 = 13,3%

CO = 0,95%

O2 = 8,35 N² = 77,4%

IST. AKPRIND | 26 Analisis Pembakaran Batubara (Coal)

Kompisisi persentase Karbon (C), Hidrogen (H²), Oksigen (O²), Nitrogen (N²), Sulphur (S), dan Ash dari batubara dapat dianalisa dengan uji ultimat. Sedangkan komposisi gas hasil pembakaran (flue gas) dapat diukur dengan orsat meter. Hasil uji ultimat dan uji flue gas digunakan untuk menentukan jumlah udara teoritis dan aktual pembakaran batubara, Air-Fuel Ratio, excess air, maupun berat dry flue gas per berat batubara

Udara teoritis (Ait^th) pembakaran 1 kg coal

C, H², S, dan O² adalah persentase Carbon, Hidrogen, Sulphur dan Oksigen dalam batubara

Contoh soal

1. Hasil uji ultimate batubara coal dan uji flue gas dari pembakran batu bara tersebut ditunjukkan dalam tabel berikut

IST. AKPRIND | 27 Hitunglah:

a. Kebutuhan udara teoritis dan pemakaian udara actual b. Air-Fuel ratio dan % excess air

Penyelesaian:

a. Udara teoritis per kg coal

Komposisi flue gas dari volumetric ke gravimetric

IST. AKPRIND | 28 Massa Carbon di dalam flue gas

Total Massa Flue Gas per kg coal terbakar

Total Massa Nitrogen dalam 16,74 kg flue gas

Udara actual

Air-Fuel ratio (A/F) = 16,3/1 Udara berlebih

kg 16,74 0,043

0,7198 gas

flue in C of mass

coal kg 1 in C of

mfluegas=mass = =

kg

=16,3

=

= = x 12,52

77 N 100 mass total 77 x

Air act 100 2

IST. AKPRIND | 29 Persentase Udara berlebih

Soal latihan

1. Hitunglah berapa molar udara stokiometri yang diperlukan untuk bahan bakar metana

2. Hitunglah ekivalen ratio untuk pembakaran Bensin dengan 20% excess air

3. Diketahui komposisi flue gas (gas hasil pembakaran) by volume: 15% CO2, 5% CO, 5%

O², dan 75% N². Ubahlah ke komposisi gravimetric (by mass)!

4. Hasil uji ultimat batubara dan uji flue gas seperti ditunjukkan dalam tabel berikut.

Htunglah:

a. Kebutuhan udara teoritis dan pemakaian udara actual b. Air-Fuel ratio dan % excess air

Uji Ultimat Uji flue gas

IST. AKPRIND | 30

III. THERMOCHEMISTRY

Thermochemistry pembakran adalah pengetahuan akan termodinamika dan kimia prose pembakaran. Persamaa keadaan yang telah dipelajari dalam termodinamika sangat berguna ketika memepelajari tentang thermochemistry, sperti pengetahuan akan persamaan keadaan gas atau equation of state

Equation of State T R N V

P = _u

T R m V P =

T R P v =

T R ρ P =

MW R = Ru

Dimana

P = tekanan gas (Pa) V = volume gas (m³) N= jumlah mol gas (kmol)

Ru = konstanta gas universal (8315 J/kmol.K) T = temperature gas (K)

m = massa gas (kg)

ν = spesific volume gas (m³/kg) R = konstanta gas spesific (J/kmol.K) ρ = massa jenis gas (kg/m³)

MW = berat molekul gas (J/kmol.K = Pa.m³/kmol.K)

IST. AKPRIND | 31 Konstanta Gas Universal

Calorific Equations of State

Persamaan internal energy (u) dan enthalpy (h) sebagai fungsi dari Temperature (T) maupun Pressure (P)

u = u (T, v) h = u (T, P) dimana

u = specific internal energy (J/kg) h = specific enthalpy (J/kg) Secara umum perubahan (u) dan (h)

Calorific equation of state Gas Ideal

Dimana

c^v = kalor jenis pada volume konstan (J/kg.K) cp = kalor jenis pada tekanan konstan (J/kg.K)

IST. AKPRIND | 32 Campuran Gas Ideal (Gas Ideal Mixture)

Fraksi Molar

Dimana

Xi = fraksi molar spesies i didalam campuran Nⁱ = jumlah molar spesies i didalam campuran N^tor = jumlah total molar campuran

Total fraksi molar 1

X Σ _i

i =

Fraksi Massa

tot i

2 1

i m

mi ...

...m m

m

Y mi =

+ +

≡ +

Dimana

Yi = fraksi massa spesies i didalam campuran mi = jumlah massa spesies i didalam campuran m^tor = jumlah total massa campuran

Total Fraksi Massa 1

Y Σ _i

i =

Berat molekul

∑

⁼

∑

^_^{ }_^

=

i i i

i mix

MW Y MW 1

X MW

tot i

2 1

i N

Ni ...

...N N

N

X Ni =

+ +

≡ +

IST. AKPRIND | 33 Fraksi molar ↔ Fraksi massa

Tekanan Partial dan Tekanan Total

Dimana

P = tekanan total campuran Pi = tekanan partial species i

Enthalpy campuran

Entropy campuran

Entropy of pada standard state

Dimana

• Standard State = Pref = P⁰ = 1 atm

• Molar specific entropy pada standard state dapat dilihat pada Appendix A (S.R. Turn)

IST. AKPRIND | 34 Latent Heat Vaporization

Latent Heat of Vaporization (hfg) didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menguapkan 1 unit massa cairan didalam constant pressure process pada temperature tertentu. Latent Heat of Vaporization disebut juga dengan Enthalpy of Vaporization

Latent Heat of Vaporization (hfg)

(

T,P

)

h

(

T,P

)

h

(

T,P

)

h_fg ≡ _vapor − _liquid

T & P adalah Saturation Temperature & Pressure

Latent Heat of Vaporization beberapa fuels dapat dilihat pada Appendix B (Turns, S.R)

Absolute Enthalpy & Enthalpy of Formation

Absolute Enthalpy adalah total enthalpy pembentukan (enthalpy of formation) pada standard reference state (T^ref = 25⁰C =298,15 K, P⁰=1 atm) ditambah dengan perubahan enthalpy sensible (sensible enthalpy). Enthalpy of formation berhubungan dengan ikatan kimia. Sensible enthalpy sebagai fungsi dari Temperatur.

( )

^0f,i

(

_ref

)

^s,i

(

_ref

)

i T h T Δh T

h = +

Dimana

Contoh soal

1. Aliran gas pada 1 atm terdiri dari CO, CO² dan N² dengan mole fraction CO adalah 0,1 dan mole fraction CO² adalah 0,2. Aliran gas bertemperature 1200 K. Hitunglah a. Absolute enthalpy gas tersebut (by mass & by mole)

b. Tentukan pula mass fraction CO, CO² dan N²

IST. AKPRIND | 35 Penyelesaian

Diketahui

X^CO = 0,10; X^CO2 = 0,20 ; T = 1200 K ; P = 1 atm, X^N2 = 1 – X^CO – X^CO2 = 0,7 Dihitung

a. Absolute enthalpy gas tersebut (by mass & by mole) b. Tentukan pula mass fraction CO, CO2 dan

Hitungan

a. Absolute enthalpy gas

Dimana

Sehingga Absolute Enthalpy by moles

Untuk menghitung absolute Enthalpy by mass, terlebih dahulu tentukan dulu Molecular Weight Campuran Gas tersebut

Sehingga Absolute Enthalpy by mass

IST. AKPRIND | 36 b. Mass fraction CO, CO² dan N²

mix i i

i MW

MW Y = X

Enthalpy of Combustion

Enthalpy of Combustion atau disebut juga dengan Enthalpy of Reaction. Enthalpy of Combustion dapat dihitung dari Enthalpy Reaktan dan Enthalpy Produk. Misal, steady flow reactor untuk menentukan Enthalpy of Combustion terlihat seperti ganbar.

Diasumsikan terjadi pembakaran sempurna (semua Carbon terbakar menjadi CO², semua Hidrogen terbakar menjadi H2O)

Gambar 3.1. Steady flow chamber

Δ h^R= q^cv = h^prod - h^reac Δ H^R= H^prod - H^reac

IST. AKPRIND | 37 Gambar 3.2. Enthalpy of formation

Pada kondisi (25⁰C, 1 atm) 1 kmol reaktan mempunyai enthalpy -74,831 kJ. Pada kondisi yang sama produk pembakran mempunyai absolute enthalpy – 877,236 kJ, maka

Δ H^R= H^prod - H^reac Δ H^R= -877,236-(-74,831) Δ H^R= -802,405 kJ

Catatan: Enthalpy of Combustion tergantung dari temperature evaluasinya (Reference temperature)

- per unit massa fuel

- per unit massa campuran

IST. AKPRIND | 38 Contoh soal

2. Tentukan HHV dan LHV n-decane gas pada temperature 298 K (C¹⁰H²²) per kilomol maupun per kilogram bahan bakar

Penyelesaian

Keseimbangan reaksi 1 mol n-decane

C¹⁰H^{22 (g)} + 15,5(O²+3,76N²) → 10 CO² + 11 H²O^{(l or g)} + 15,5 (3,76)N² Untuk HHV maupun LHV

Δh^c = - ΔH^R = H^reac - H^prod Dengan

Maka



 +

−

=

= ⁰f,H2O(l)

0 CO2 f, 0

C10H22 H2O(l) f,

c, HHV (1)h 10h 11h

ΔH Dimana

Selanjutnya enthalpy of formation dilihat pada Appendix A dan B, maka didapatkan Higher Heating Value C10H22(g)

IST. AKPRIND | 39 dan

(

₁₀^c₂₂

)

_{10 22}

c kmolC H

6830096 kJ kmol

1

kJ 6830096 H

C N h ΔH

Δ = = =

atau

( )

kgC₁₀H₂₂

8003 kJ kg/kmoll 4

142,284

kJ/kmol 6830096

H C MW Δh h

22 10 c

c = = =

Untuk menentukan LHV, gunakan C10H22 kJ/kg

241847 h⁰f,H2O(g) = −

sehingga

3. Jika Enthalpy of Vaporization n-decane adalah 359 kJ/kg fuel pada temperature 298 K, maka tentukan HHV dan LHV n-decane liquid

Penyelesaian

Untuk n-decane (C¹⁰H²²) liquid

IST. AKPRIND | 40 Adiabatic Flame Temperature

Adiabatic flame Temperature adalah maksimum temperature dari nyala pembakaran (secara theory). Tidak pernah tercapai dalam prakteknya (tidak ada combustion chamber yang benar-benar adiabatic). Adiabatic Flame Tenperature pada Constant Pressure Combustion dan Constant Volume Combustion

Adiabatic Flame Temperature-Constant Pressure Combustion

Adibatic Flame Temperature dari proses pembakaran pada tekanan konstan didalam adiabatic combustion chamber

Adiabatic Flame Temperature-Constant Volume Combustion Applikasi pada Otto Cycle Analysis

MW 0 T MW

R T h h

prod ad react

init u

prod

react =









 −

−

− Contoh soal

IST. AKPRIND | 41 4. Hitunglah Adiabatic Flame Temperature pembakaran stoikiometri Methana-Udara

pada Constant Pressure Combustion. Tekanannya 1 atm dan temperature awal reaktan adalah 298 K

Penyelesaian Asumsi:

• Terjadi pembakran sempurna (product pembakran: CO², H²O dan N²)

• Enthalpy product pembakaran pada constant specific heat pada temperature 1200 K ≈ 0.5 (Ti + Tad), Tad ditebak 2100 K

Reaksi Stoichiometri CH4-Udara

CH⁴ + 2 (O² + 3,76 N²) → 1 CO² + 2 H²O + 7,52 N²

Enthalpy of Formation untuk cp^{@1200 K} dari Appendix A dan Appendix B

prod

react H

H =

i i i prod

reactΣ Nih = Σ N h

IST. AKPRIND | 42

IST. AKPRIND | 43

IV. FLAME

“Flame is a self-sustaining propagation of a localized combustion zone at subsonic velocities (Turns S.R)”

Flame (nyala pembakaran=api) merupakan perambatan zona pembakaran pada kecepatan subsonic. Rambatan zona pembakaran pada kecepatan subsonic disebut dengan Deflagrasi. Sedangkan jika perambatan ini terjadi pada kecepatan supersonic, disebut dengan Detonasi

Jenis Flame

Flame dapat diklasifikasikan berdasarkan cara pencampuran bahan bakar dengan oxidizer serta kecepatan aliran.

Klassifikasi berdasrkan pencampuran 1. Premixed flame

2. Non-premixed (diffusion flame)

Gambar 4.1. Premixed vs diffusion flame

IST. AKPRIND | 44 Klasifikasi berdasarkan aliran

1. Laminar flame 2. Turbulen flame

Gambar 4.2. Laminar vs turbulent flame

Laminar Premixed flames

Fuel dan oxidizer bercampur sempurna sebelum proses pembakaran. Nyala dari Bunsen Burner merupakan contoh dari Premixed Flame

Gambar 4.3. Bunsen flame

IST. AKPRIND | 45 Gambar 4.4. Laminar flame structure

Gambar 4.5. Laminar Flame Speed

IST. AKPRIND | 46 Korelasi Laminar Flame Speed

Korelasi untuk mengetahui Laminar Flame Speed dari nyala api pembakaran suatu bahan bakar. Korelasi tersebut didasarkan dari hasil eksperimen.

Korelasi oleh Metghalchi & Keck

Dimana

SL = laminar flames speed

T^u = Unburnt Gas Temperature (temperature campuran fuel+oksidiser) P = pressure

Y^dil = fraksi massa dilluent (gas buang yang bercampur fuel+oksidiser) ref = kondisi referensi (T= 298 K ; P = 1 atm)

γ dan β = temperature dan pressure exponential (tergantung equivalence ratio)

Laminar Flame Speed Reference:

Dimana

B^M, B², Φ^M = konstanta yang tergantung pada jenis bahan bakar Φ = equivalence ratio campuran

IST. AKPRIND | 47 Tabel 4.1. Konstanta B^M, B², Φ^M beberpa hidrokarbon

Temperature Exponential

Pressure Exponential

Contoh soal

1. Hitunglah Laminar Flame Speed Bensin-Udara dengan equivalence ratio 0.8 a. Pada reference state

b. Pada Temperature 685 K dan Pressure 18 atm

c. Seperti soal b dengan 15% mass exhaust gas recirculation

Penyelesaian

a. Pada reference state

S^L,^ref = 26,32 + (-84.72)(0.8-1.13)² = 17,5 m/s

IST. AKPRIND | 48 b. Pada Temperatur 685 K dan Tekanan 18 atm

Temperature Exponential

Pressure Exponential

Laminar Flames Speed pada temperature 685 K dan tekanan 18 atm

c. Seperti soal b dengan 15% mass exhaust gas circulation

Catatan

• Laminar Flame Speed meningkat dengan kenaikkan temperature

• Laminar Flame Speed berkurang dengan kenaikan percentase dilluent (exhaust gas recirculation)

Laminar Diffusion flames

Fuel dan oxidizer terpisah. Reaksi pembakaran terjadi pada interface fuel dengan oxidizer. Laju pembakaran tergantung pada laju difusi reaktan. Candle flame adalah contoh dari diffusion flame (Resedential application). Design consideration adalah flame geometry/shape. Flame shape tergantung pada: fuel flow rate, fuel type, other factors

IST. AKPRIND | 49 Gambar 4.6. Diffusion flames structure

Flammability limits

Flammability limits adalah batas mampu nyala campuran bahan bakar dengan oxidizer (batas bawah-batas atas). Propagasi nyala (flame propagation) hanya terjadi dalam rentang konsentrasi tertentu dari campuran bahan bakar dengan oxidizer (the leanest mixture – the richest mixture). Flammibility limits dipengaruhi juga oleh kehilangan kalor dari sistem (misal karena radiasi dari gas hasil pembakaran ke udara sekitarnya).

Flame Stabilization

Flame stabilization salah satu kriteria penting yang harus diperhatikan didalam perancangan burner untuk mencegah terjadinya flashback dan liftoff. Flashback dan liftoff berkaitan dengan menyesuaikan kecepatan laminar flame pada burner dengan kecepatan campuran keluar burner. Flame hanya mampu bertahan stabil hanya pada rentang kecepatan tertentu. Jika kecepatan campuran jauh lebih rendah dari laminar flame speed, maka flame akan berpropagasi ke saluran buner dan disebut dengan flashback. Flashback harus dihindari guna menecegah terjadinya perambatan nyala ke tanki bahan bakar. Menjamin tidak terjadi flashback nyala ke tank, burner harus dilengkapi dengan flame arrester. Sebaliknya jika kecepatan nyala jauh lebuh tinggi dari

IST. AKPRIND | 50 laminar flame speed, maka akan terjadi liftoff yaitu kondisi dimana nyala tidak menempel pada bibir burner tetapi terangkat dari burner.

Gambar 4.7. Zona flame stabilization Gas Alam (Natural Gas)

Gambar 4.8. Liftoff flame

IST. AKPRIND | 51

V. EMISI PEMBAKARAN

Jenis pollutant dari emisi pembakaran berupa particulate matter (soot, ash, aerosols); oxides of nitrogen; sulphur oxides; carbon monoxide; unburned hydrocarbons;

nitrous oxide, and carbon dioxide.. Pollutant ini perlu dihindari dengan pengendalian emisi yang ramah lngkungan.

Pembentukan NOx pada Pembakaran

Thermal NO adalah oksidasi molekul Nitrogen di zona postflame. Prompt NO adalah pembentukan NO di zona flame (Fenimore mechanism). Tergantung terhadap paramater operasi dan terhadap bahan bakar. Thermal NO merupakan sumber utama NO pada peralatan pembakaran

Extended Zeldovich Mechanism

Laju pembentukan Thermal NO

N2O-Intermediate Mechanism

Mekanisme ini penting dalam lean combustion (Φ < 0.8). Control strategies untuk lean- premixed gas turbine combustion.

IST. AKPRIND | 52 Sebagian NO dihasilkan di flame zone sebelum terbentuknya thermal NO (Fenimore mechanism).

Pembentukan CN dan HCN dari radicals hydrocarbon

Selanjutnya Hydrogencyanide membentuk NO

Pengendalian Emisi Gas Buang Kendaraan Bermotor EGR (Exhaust Gas Recirculating)

EGR berfungsi untuk mengontrol pembentukan gas NOx pada gas buang. NOx terbentuk karena meningkatnya temperatur pada ruang bakar. Sistem EGR bekerja untuk mengalirkan kembali gas buang ke ruang bakar melalui intake manifold, untuk memperkurus campuran udara bensin sehingga temperatur ruang bakar akan turun dan pembentukan gas NOx dapat dicegah.

Catalytic Converter

Catalist adalah suatu zat yang menimbulkan reaksi kimia yang zat itu sendiri tidak berubah bentuk maupun beratnya. Sebagai contoh apabila HC, CO dan NOx dipanaskan dengan oksigen sampai 500ºC, tidak terjadi reaksi kimia. Akan tetapi

IST. AKPRIND | 53 apabila pemanasan tersebut berlangsung di catalyst maka akan terjadi reaksi kimia dan gas ini berubah menjadi CO2, H2O dan N2 yang tidak berbahaya. Pada umumnya catalyst terbuat dari platinum, palladium, iridium, rhodium dan lain-lain. Catalyst ditempelkan pada permukaan carrier agar permukaan yang terkena gas buang bertambah.

Macam-macam catalytic converter - Oxidation Catalyst System (OC)

- Three-Way Catalyst System (TWC)

Type ini merupakan yang paling ideal dari semua type catalytic converter. Karena tidak hanya CO dan HC saja yang dirubah menjadi zat non polusi tetapi juga NOx.

NO dan O2 sebagai komponen oksidasi (yang menyebabkan terbakar), dan CO dan HC sebagai komponen yang berkurang (terbakar) bereaksi sesuai dengan persamaan umum seperti di bawah ini dan membentuk komponen netral (inactive) N², H²O dan CO².

NOx + CO N2 + CO2

IST. AKPRIND | 54 NOx + HC N² + CO² + H²O

O2 + CO CO2

O² + HC H²O + CO²

Agar type converter ini dapat bekerja dengan baik maka syarat mutlak yang harus dipenuhi adalah perbandingan udara dan bensin harus sedekat mungkin dengan nilai teoritis (14,7:1).

- Three-Way Catalyst dan Oxidation Catalyst System (TWC-OC)

- Sistem ini digunakan pada sistem control emisi untuk mengurangi polusi udara.

Sistem ini merupakan gabungan antara Three-Way Catalyst dengan Oxidation Catalyst System

Gambar 5.1. Sistem TWC-OC

IST. AKPRIND | 55 DAFTAR PUSTAKA

1. Turns S.R., 2000, “An Introduction to Combustion: Concepts and Application”, 2^nd Ed., McGraw-Hill.

2. Kurmi R.S., Gupta J.K., 2008, ”A Textbook of Thermal Engineering”, S.Chand &

Company Ltd, New Delhi.

3. Cengel, Y.A., and M.A. Boles: “Thermodynamics: An Engineering Approach”, 6^th Ed., Tata McGraw-Hill, New Delhi, 2008.