5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
1/31
REAKSI K IMIA PEMBAKARAN
PRIBADYO, ST., MT
UNIVERSITAS TEUKU UMARMEULABOH-ACEH BARAT
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
2/31
REAKSI PEMBAKARAN MERUPAKAN SALAH SATU
CONTOH PROSES DI MANA TERJADI REAKSI KIMIA. REAKSI
PEMBAKARAN MEMEGANG PERANAN YANG SANGAT PENTING
DALAM PEMBANGKITAN ENERGI PRIMER YANG TERKANDUNG
DALAMBAHANBAKARUNTUKDIUBAHMENJADIENERGITERMAL.
Untuk sistem dimana tidak terjadi reaksi
kimia maka energi yang dipunyai oleh suatu zat
akan terdiri dari energi dalam sensibel (yang
ditentukan oleh gerakan molekul dan berubah
dengan perubahan pdan T) dan energi dalamlaten(berubah karena adanya perubahan fasa)
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
3/31
UNTUK SISTEM DENGAN REAKSI KIMIA MAKA
SELAINDARI2 BENTUKENERGIDALAMDIATASMAKA
AKANADAENERGIDALAMKIMIA(CHEMICALINTERNAL
ENERGY) YANG BERUBAH-UBAH DENGAN ADANYA
PEMBENTUKAN ATAU PELEPASAN IKATAN ANTAR
ATOM.
Di sini tidak akan dibahas reaksi kimia
secara umum, tetapi hanya akan
memfokuskan pada suatu reaksi kimia oksidasi
yang disertai dengan timbulnya kalor yangcukup signifikan yaitu reaksi pembakaran.
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
4/31
Bahan bakar adalah zat yang bisa
dibakar untuk menghasilkan energi kalor
dimana bahan bakar komersial yang paling
banyak adalah yang berjenis hidrokarbon.
Secara ringkasnya suatu reaksi kimia
akan bisa terjadi apabila ada bahan bakar(fuel), oksigen O2 sebagai oksidator (oxidant),
dan temperaturnya lebih besar dari titik nyala
(ignition temperature).
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
5/31
Titik nyala adalah temperatur minimumyang diperlukan untuk suatu reaksi pembakaran
pada suatu tekanan tertentu. Pada tekanan
atmosfer titik nyala beberapa bahan bakar:bensin 350C, solar 250C, karbon 400C, H 2580C, karbon monooksida 610C, metana
630C.
Contoh-contoh bahan bakar:
Unsur murni: hidrogen H2, metana CH4, propana C3H8, dllUnsur campuran:bensin (C8H18), solar (C12H26), dll
Alkohol: metanol CH3OH, etanol C2H5OH, dll
Batu baraC
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
6/31
Stoik iom etr i Pembakaran
Contoh reaksi kimia:
1C + 1O2 1CO2
Reaksi di atas dapat diinterpretasikan sebagai:
1. 1kmol C ditambah 1 kmol O2menghasilkan 1 kmol CO2 tidak
berlaku kekekalan mol.
2. (1 MC) kg C bereaksi dengan (1 MO2) kg O2menghasilkan (1
MCO2) kg CO2di mana Miadalah berat molekul unsur i. Dengan
kata lain 12 kg C bereaksi dengan 32 kg O2 menghasilkan 44 kg
CO2berlaku hukum kekekalan massa
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
7/31
Pada prakteknya proses pembakaran
tidak dilakukan dengan oksigen murni tetapi
dengan menggunakan udara sebagai oksidator
karena sifatnya yang tersedia dimana-mana danmurah. Perbandingan massa udara dan massa
bahan bakar (mudara/mbb) disebut sebagai air-fuel
ratioAFR.
Secara teoritis proses pembakaran akan
terjadi secara komplet/sempurna apabila jumlah
udara yang tersedia adalah cukup sehingga,
Semua unsur karbon C berubah menjadi karbon dioksida
CO2Semua unsur hidrogen H berubah menjadi air H2O
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
8/31
Tetapi pada kenyataannya proses
pembakaran berlangsung tidak sempurna yaitu
tidak memenuhi syarat seperti di atas (timbulnya
C, H2, CO, OH atau yang lain). Hal ini bisadisebabkan oleh
1. Kekurangan oksigen
2. Kualitas campuran bahan bakar dan udara yang
tidak baik3. Terjadi disosiasi (pecahnya unsur-unsur stabil yang
kemudian membentuk unsur baru)
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
9/31
Disini pembakaran tidak sempurna
didefinisikan sebagai proses pembakaran yang
jumlah oksigennya tidak memenuhi jumlah udara
stoikiometris/teoritis untuk pembakaransempurna. Untuk mengetahui seberapa banyak
udara yang digunakan dibandingkan dengan
jumlah udara stoikiometris didefinisikan:
dimana a dan s masing-masing menunjukkan kondisi aktualdan stoikiometris/teoritis.
%100teoritisudara%sudara,
udara,a
m
m
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
10/31
Sedangkan pembakaran stoikiometris/teoritisadalah apabila bahan bakar terbakar sempurna
dengan jumlah udara minimum.
Udara minimum ini disebut sebagai udarateori. Dengan kata lain pembakaran stoikiometris
adalah pembakaran sempurna tanpa menyisakan
oksigen O2 dalam produk pembakarannya.
Pembakaran stoikiometris dengan bahan bakar
hidrokarbon CHO
)24
(
)
24(
CHO+ (O2+ 3,76N2) CO2 + /2H2O + 3,76 N2
Pada prakteknya dengan tujuan (a) menjamin sempurnanya
proses pembakaran dan/atau (b) menurunkan temperaturpembakaran, maka disuplai udara dalam jumlah yang berlebih.
Kelebihan jumlah udara dibandingkan jumlah udara teori disebut
udara lebih (excess air) dimana,
udara,s
udara,saudara,lebihudara%
m
mm
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
11/31
Dalam suatu sistem yang didalamnya terjadi
reaksi pembakaran (reaksi kimia),
Dari persamaan ini maka apabila kondisi sistem
inlet dan outlet adalah sama maka perubahanenergi sistem akan sama dengan perubahan
energi kimia dari unsur-unsur yang ada di sistem
sehingga dalam termodinamika pembakaran
dikenal entalpi pembakaran (enthalpy ofcombustion).
kimiakeadaansys EEE
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
12/31
Entalpi pembakaran adalah perbedaan entalpi
antara produk pembakaran pada keadaan
tertentu dan reaktan pada keadaan yang sama
untuk suatu reaksi pembakaran yang sempurna,atau bisa juga diartikan sebagai jumlah kalor
yang dilepas selama proses pembakaran steadi
oleh 1 kmol atau 1 kg bahan bakar yang terbakar
sempurna pada temperatur dan tekanan tertentu.Secara matematis bisa dituliskan,
RPC HHh
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
13/31
Dalam prakteknya istilah yang sering
digunakan untuk menunjukkan besarnya energi
yang dilepaskan oleh bahan bakar adalah nilai
kalor (heating value HV) dimana besarnyaadalah,
fuel]-[kJ/jgHV Ch
Nilai kalor ini dibagi menjadi 2 tergantung kepada fasaair dalam produknya.
Higher Heating Value HHV apabila produk H2O dalam fasa cair
Lower Heating Value LHV apabila produk H2O dalam fasa gas
dimana hubungan antara HHV dan LHV adalah,
OHfg 2)(LHVHHV hN
di siniN: jumlah mol air, hfg: entalpi penguapan air pada temperatur tertentu [kJ/kmol].
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
14/31
Pada prinsipnya disini yang membedakan
dengan sistem tanpa reaksi adalah hanya pada
timbulnya suku yang menunjukkan energi kimia.
Sistem Terbuka (Steadi)
Entalpi suatu zat pada suatu kondisi tertentu
dituliskan sebagai berikut:
Persamaan ini menunjukkan bahwa entalpi dari suatu zat
dalam sistem dengan reaksi akan sama dengan entalpiformasi pada kondisi standar ditambah dengan entalpi
sensibel relatif terhadap kondisi standar .
Anal isa Hukum Pertama Sistem d engan Reaksi
)( oo hhhh f
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
15/31
Apabila perubahan energi kinetik dan energipotensial bisa diabaikan maka hukum kekekalan
energi untuk sistem dengan reaksi akan berbentuk
sebagai berikut,
dimana,
Apabila persamaan entalpi untuk produk dan reaktan
dimasukkan dalam persamaan kekekalan energimaka,
bb]-[kJ/kmolRP HHWQ
Poo
pP )( hhhNH f
Roo
RP )( hhhNH f
Ro
RPo
Po
C
Roo
RPoo
P
)()(
)()(
hhNhhNh
hhhNhhhNWQ ff
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
16/31
Sistem Tertutup
Persamaan kekekalan energi untuk sistem
tertutup,
dimana UP dan U
R masing-masing adalah energi dalam
produk dan reaktannya. Dari definisi entalpi maka
persamaan di atas menjadi,
Suku adalah cukup kecil untuk zat padat dan cair danuntuk gas ideal bisa digantikan dengan RuT
bb]-[kJ/kmolRP UUWQ
Roo
RPoo
P )()( vphhhNvphhhNWQ ff
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
17/31
Dalam proses pembakaran apabila tidak ada
interaksi kerja antara sistem dan lingkungan dan
perubahan energi kinetik dan potensial maka,
Apabila transfer panas = 0 maka produk
pembakaran menerima semua energi yang
dibangkitkan dari proses pembakaran sehinggamencapai temperatur maksimum. Temperatur
maksimum ini disebut temperatur api adiabatik
(adiabatic flame temperature) dimana untuk proses
pembakaran steadi maka temperatur api adiabatik
akan dicapai bila Q= W= 0sehingga di sini berlaku hubungan:
pembakaramproduktemperaturmenaikkan
lingkungankepanastransferbbkimiaEnergi
R
oo
RP
oo
P
RP
)()(
hhhNhhhN
HH
ff
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
18/31
Dalam perhitungan temperatur adiabatik,
1. Entalpi reaktan HR akan mudah ditentukan
karena kondisi reaktan biasanya sudahdiketahui
2. Untuk mengetahui entalpi produk HP maka
perlu mengetahui temperatur produk dimana
temperatur ini sama dengan temperatur apiadiabatik yang harus dicari secara iterasi (trial
and error)
3. Iterasi pertama dapat diasumsikan bahwa
produk semuanya adalah N2 (ini karena N2adalah unsur paling dominan dalam
pembakaran yang menggunakan udara)
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
19/31
Dalam desain ruang bakar (furnace) maka
temperatur api adiabatik sangat penting dalam
penentuan jenis material dimana temperatur apiadiabatik ini bukan merupakan properti dari
bahan bakar tetapi akan tergantung kepada:
Kondisi reaktan (temperatur, tekanan) Tingkat kesempurnaan reaksi pembakaran
Jumlah udara yang digunakan.
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
20/31
Alue Penyareng29April2013
2014-06-20 SKF Slide 17 0000 SKF Research & Development
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
21/31
REAKSI K IMIA PEMBAKARAN
PRIBADYO, ST., MT
UNIVERSITAS TEUKU UMARMEULABOH-ACEH BARAT
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
22/31
DEFINISI
PEMBAKARAN ADALAH REAKSI KIMIA YANG CEPAT ANTARA
BAHANBAKARDENGANOXYGEN.
Reaksi Kimia Umum
Pada persamaan reaksi kimia untuk reaksi
kimia yang sempurna, arah reaksi dinyatakanoleh arah satu panah, dan jumlah mol atau lb
dari elemen-elemen dan senyawa-senyawa
(dinamai reactant), bercampur secara kimia
membentuk sejumlah lb atau mole dari elemen-
elemen dan senyawa-senyawa yang berbeda
(dinamaiproduct).
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
23/31
Persamaan reaksi antara oxygen dan carbon
dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut:
C (PADAT) + O2 CO2(GAS)
Artinya;ini menyatakan bahwa 1 mole dari carbon padat
bereaksi sempurna dengan 1 mole oxygen gas
membentuk 1 mole carbon dioxide gas.
Bila persamaan diatas ditulis dalam lb, maka
persamaan menjadi:
12 lbC (PADAT) + 32 lb O2 44 lb CO2(GAS)
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
24/31
Contoh:
Tentukan jumlah mole dan jumlah pound dari
oxygen yang diperlukan untuk membakar
sempurna 5 mole carbon.
Jawab:
5 C (PADAT) + 5 O2(GAS) 5 CO2(GAS)
Maka diperlukan 5 moleoxygen.
BeratO2=5 mole x32 lb/mole = 160 lb
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
25/31
Hasil dari sembarang pembakaran dapat
secara langsung mengetahui oxygen yang
dipakai.
Berikut adalah beberapa contoh persamaan
reaksi pembakaran:
CO (GAS)+ 1/2 O2(GAS) CO2(GAS)
1lb CO(gas) + 0,57lb O2(gas) 1,57lb CO2(gas)
1lb H2(gas) + 8lb O2(gas)9lb H2O(gas)
1lb S(padat) + 1lb O2(gas)2lb SO2(gas)
H2(GAS)+ 1/2 O2(GAS) H2O (GAS)S (PADAT)+ O2(GAS) SO2(GAS)
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
26/31
Contoh:
Tentukan amaan reaksi untuk pembakaran
sempurna dari 1 mole ethane C2H6.
Jawab:
Dari rumus kimia ethane terlihat bahwa
terdapat 2 mole carbon dan 3 mole hydrogen
(H2) alam satu mole ethane, jai persamaan(1.1) dikali dengan 2 dan persamaan 1.3 dikali
dengan 3 sebagia berikut:
2 C (PADAT) + 2 O2(GAS) 2 CO2(GAS) .......................A
3 H2(GAS) + 1,5 O2(GAS) 3 H2O (GAS) ....................... B+
C2H
6(GAS) + 3,5 O
2(GAS) 2 CO
2(GAS) + 3 H
2O (GAS)
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
27/31
Bahwa ethane adalah gas tidak mempengaruhi
jumlah mole masuk dalam reaksi bila dilihat
dari C, dimana C ditulis sebagai C padat, fase
dari reactant atau product berpengaruh biladitinjau dari perubahan energy.
Oxygen untuk pembakaran sebagian besar
didapat dari udara atmosphere, yang
mempunyai susunan sebagai berikut:
1mole O2+ 3,78mole N2 = 4,78mole udara
1lb O2
+ 3,32lb N2
= 4,32lb udara
Beberapa penulis memasukkan N2 dalam
menulis reaksi kimia meskipun N2 tidak ikut
bereaksi.
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
28/31
Bila N2ditulis maka persamaan (1.1) dan (1.1a)
menjadi:
1lb C (padat) + 2,67lb O2 (gas) + 8,87lb N2
3,67lb CO2(gas) + 8,87lb N2(gas)
Dimana bentuk reaksi pembakaran ini dipakai bila
analisa teoritis dari hasil pembakaran dibutuhkan.
C (PADAT) + O2(GAS) + 3,78 N2(GAS) CO2(GAS) + 3,78 N2
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
29/31
DAPUR(FURNACE)
PRIBADYO, ST., MT
UNIVERSITAS TEUKU UMARMEULABOH-ACEH BARAT
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
30/31
DAPUR (FURNACE)
Pendahuluan
Berbicara mengenai furnace (dapur)
dimaksudkan adalah ruang tempat
pembakaran bahan bakar secara efektif.
Banyak jenis dapur (furnace) tergantung pada
penggunaannya, seperti:
Furnace untuk pandai besi (forging)
Furnace untuk pekerjaan pencoran logam
(foundry)
Furnace untuk kebutuhan sistem konversi
energi.
5/24/2018 REAKSI KIMIA PEMBAKARAN
31/31
DAPUR (FURNACE)
Pada sistem power plant, dipergunakan tiga
jenis bahan bakar, yaitu:
-Bahan bakar gas
-Bahan bakar cair
-Bahan bakar padat
Jadi tergantung jenis bahan bakar yang
dipakai; pada satu unit ketel uap (steam boiler)
bisa memakai salah satu sistem pembakaran
sebagai berikut:
Sistem pembakaran bahan bakar gas
Sistem pembakaran bahan bakar minyak
Sistem pembakaran bahan bakar batu bara