teknik pembakaran dasar-03

8/13/2019 Teknik Pembakaran Dasar-03

1/23

Lab. Mekanika F lui da Teknik Mesin-F TUI Dr.I r. Harinaldi, M .Eng

Universitas IndonesiaFakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin



2/23


Reaksi Dasar Proses PembakaranReaksi Pembakaran komponen sebelum reaksi: reaktan (bahan bakar +

oksidator)

komponen setelah reaksi: produk

Bahan bakar + oksidator Produk

karbon (C)

hidrogen (H)

sulfur (S)

Reaksi Dasar2 2

C O CO (1.1)

2 2 2

1H O H O

2 (1.2)

2 2S O SO (1.3)

Komponen UtamaBahan Bakar Fosil


3/23


Reaksi Dasar Proses PembakaranKoefisien di depan masing-masing suku persamaan reaksidisebut koefisien stoikiometri (stoich iometr ic coeff ic ients)

2 2 2

1H O H O

2

Reaksi Dasar

koefisien stoikiometri

Pembakaran Karbon Tidak Sempurna2

1C O CO

2 (1.4)

Karbonmonoksida dalam produk pembakaran

pemakaian energi yang tidak efisien

merupakan polutan di udara.


4/23


Reaksi Dasar Proses PembakaranContoh 1.1:Tentukan reaksi stoikiometri pembakaran metana (CH4) danheptana (C7H16)

Penyelesaian:Pembakaran metana (CH4):

Pembakaran heptana (C7H16):

Dari kesetimbangan oksigen2x= 14 + 8 = 22 x= 11

Maka :

4 2 2 2CH 2O CO 2H O

7 16 2 2 2C H + xO 7CO + 8H O

7 16 2 2 2C H + 11O 7CO + 8H O


5/23


Udara Teoritis Udara yang dipergunakan dalam kebanyakan proses

pembakaran berasal dari udara bebas.

Dalam kebanyakan analisis teoritis/praktis, udara dianggap

dalam kondisi kering (dry air) yang tersusun dari komponen:

oksigen (O2

)

nitrogen (N2)

argon (Ar)

karbondioksida (CO2)

helium (He)

neon (Ne), dsb. Untuk perhitungan pembakaran, satu satuan volume (mol)

udara kering dapat diasumsikan terdiri dari:

21% oksigen

79 % nitrogen

Komposisi Udara Kering


6/23


Udara TeoritisPemenuhan Kebutuhan Oksigen Dari UdaraKebutuhan oksigen pada pembakaran, dapat dipenuhi olehoksigen dari udara sbb:

1 mol O2dipenuhi oleh

1 mol O2+ 3,76 mol N2= 4,76 mol udara 1 kg O2 dipenuhi oleh

1 kg O2 + 3,30 kg N2= 4,30 kg udara

Hubungan di atas menunjukkan jumlah kebutuhan udara

kering minimum yang akan memberikan oksigen untuk

pembakaran yang sempurna.

Jumlah udara ini disebut sebagai udara teori t isatau udara

stoik iometr i


7/23Lab. Mekanika F lui da Teknik Mesin-F TUI Dr.I r. Harinaldi, M .Eng

Udara TeoritisContoh 1.2:Tentukan reaksi stoikiometri pembakaran metana (CH4)dengan menggunakan udara sebagai oksidatornya

Penyelesaian:Pembakaran methana CH4dengan udara kering:

Reaksi stoikiometri diatas menunjukkani diperlukan

2(1+3,76) = 9,52 mol udara untuk membakar 1 mol metanadengan sempurna.

4 2 2 2 2 2CH + 2 O + 3,76N CO + 2H O + (2)(3,76)N



Persamaan Umum Stoikiometri PembakaranFormula Fiktif Bahan Bakar Bahan bakar secara umum mengandung unsur-unsur karbon

(C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N) dan belerang (S)

Jika prosentase berat (fraksi massa) masing-masing unsur

yang terkandung dalam suatu bahan bakar fosil adalah:

Karbon (C) = %

Hidrogen (H) = % Oksigen (O) = % Sulfur (S) = % Nitrogen (N) = %

Maka formula fiktif bahan bakar dapat dinyatakan sebagai

CxHyOzSpNq dimana:

12x

1y

16z

32p

14q

(1.5a-e)



Persamaan Umum Stoikiometri PembakaranKebutuhan Udara Masing-masing Unsur Bahan BakarKarbonDari reaksi:

2 2C + O CO

Maka:

Untuk xmol C, kebutuhan udara adalah : x(1(O2) + 3,76 (N2)) = 4,76xmol

HidrogenKebutuhan udara dihitung berdasarkan asumsi oksigen yang

terkandung dalam bahan bakar yang sudah atau akan bereaksidengan

hidrogen membentuk air (H2O). Dengan demikian hidrogen yang masih

memerlukan udara dapat dievaluasi dengan langkah berikut:

Reaksi hidrogen dengan oksigen yang terdapat dalam bahan bakar:

2 2 2

1H + O H O

2

Untuk sejumlah zmol oksigen bereaksi dengan 2zmol hidrogen



Persamaan Umum Stoikiometri PembakaranKebutuhan Udara Masing-masing Unsur Bahan Bakar Jadi hidrogen yang masih memerlukan udara adalah sebesar (y-2z)

mol

Dari reaksi:2 2 2

1H + O H O

2

Hidrogen (lanjutan)

Untuk (y-2z) mol H (ekivalen dengan (y-2z)/2 mol H2), kebutuhan mol

udara adalah:

2 2

2 21(O ) 3,76(N ) (4,76)

4 4

y z y z

Sulfur

Dari reaksi:2 2

S + O SOMaka:

Untuk pmol S, kebutuhan udara adalah : p(1(O2) + 3,76 (N2)) = 4,76pmol



Persamaan Umum Stoikiometri PembakaranKebutuhan Udara Bahan Bakar Fiktif CxHyOzSpNqMaka untuk satu mol bahan bakar dengan formula fiktifC

x H

y O

z S

p N

q akan diperoleh kebutuhan mol udara

stoikiometris sebesar :

2 22 2

1(O )+ 3,76(N ) (4,76)4 4

y z y z

x p x p

(1.6)

Persamaan Umum Stoikiometris 2 2

2 2 2 2

2C H O S N O + 3,76N4

2 CO H O SO 3,76 N

2 2 4

x y z p q y zx p

y q y zx p x p

(1.7)



Udara Lebih Sulit mendapatkan pencampuran yang memuaskan antara

bahan bakar dengan udara pada proses pembakaran aktual

Udara perlu diberikan dalam jumlah berlebih untuk

memastikan terjadinya pembakaran secara sempurna

seluruh bahan bakar yang ada

Latar Belakang dan Tujuan Udara Lebih

Definisi Udara LebihUdara yang diberikan untuk pembakaran dalam jumlah yang

lebih besar dari jumlah teoritis yang dibutuhkan bahan bakar

% udara teoritis = 100 100

% udara lebih = % udara teoritis 100

ua ua

us us

m N

m N

(1.8a-b)

m dan N menunjukkan massa dan mol, sedangkan indeks ua dan us

menunjukkan udara aktual dan udara stoikiometris


13/23


Udara LebihContoh 1.3:Tentukan reaksi pembakaran metana (CH4) denganmenggunakan 10 % udara berlebihPenyelesaian:Metana (CH4) dibakar dengan 10 % udara berlebih

Persamaan pembakaran:

4 2 2 2 2 2 2CH (1,1) 2 O + 3,76N CO 2H O 0,2O (1,1) (2)(3,76)N


14/23


Udara LebihUdara lebih dapat dideduksi dengan pengukuran komposisi produkpembakaran dalam keadaan kering (dry basis). Jika produk

merupakan hasil pembakaran sempurna, maka persentase udara lebih

dapat dinyatakan sebagai:

Penentuan Udara Lebih dari Komposisi Produk

2

2 2

O

N O

% udara lebih = 100/3,76

prod

prod prod

NN N

(1.9)

2

2 2

O

N O

% udara lebih = 100/3,76

prod

prod prod

(1.10)

pengukuran gas biasanya dinyatakan dalam fraksi mol (), makapersamaan (1.10) lebih sering digunakan


15/23


Udara LebihContoh 1.4:Pengukuran produk kering pembakaran dari sebuah alat pembakar(burner) yang menggunakan gas alam dan udara menunjukkan

kandungan volumetric 5 % oksigen dan 9 % karbon dioksida.

Tentukan udara lebih pada proses pembakaran tersebut

Penyelesaian:Dari pengukuran diketahui:

2 2 2O CO N0,05 ; 0,09 ; dan 0,86 (dari perbedaan)

Dengan menggunakan rumus (1.10), maka

0,05% udara lebih = 100 28

0,86/ 3,76 0,05

Jadi udara lebih dalam proses pembakaran tersebut adalah 28%


16/23


Rasio Udara-Bahan BakarRasio Udara-Bahan BakarRasio udara-bahan bakar merupakan nilai yang menunjukkanperbandingan antara jumlah udara yang disuplai dengan jumlah

bahan bakar yang dipergunakan (dibakar) yang dapat dinyatakan

dalam basis massa/berat (by w eight) maupun basis volume/mol

u u u

bb bb bb

m M NAFm M N

(1.11)

dimana Mmenunjukkan massa molekuler, sedangkan indeks udan

bbmenunjukkan udara dan bahan bakar.

Untuk keperluan perhitungan praktis massa molekuler udara adalah

28,9 kg/kmol


17/23


Rasio Udara-Bahan BakarRasio Bahan Bakar-UdaraKebalikan dari AFsering juga digunakan dalam analisis stoikiometripembakaran dan disebut sebagai rasio bahan bakar-udara (fuel air

ratio) yang dirumuskan sebagai berikut:

(1.12)

Rasio bahan bakar udara, FA sering juga disimbulkan dengan f.

bb bb bb

u u u

m M NFAm M N


18/23


Rasio Udara-Bahan BakarContoh 1.5:Tentukan perbandingan udara bahan bakar pada pembakaransempurna dari metana dengan udara teoritis.

Penyelesaian:Reaksi pembakaran:

4 2 2 2 2 2CH + 2 O + 3,76N CO + 2H O + (2)(3,76)N

4 4 4CH CH CH

4

28,9 / 2(1 3,76)

16 / 1

17,2 kg udara/kg CH

u u ukg kmol kmol m M N

AF m M N kg kmol kmol

Maka Rasio Udara-Bahan Bakar:


19/23


Rasio EkivalenPerbandingan antara rasio udara- bahan bakar stoikiometrikdengan rasio udara-bahan bakar aktual atau perbandingan

antara rasio bahan bakar-udara aktual dengan rasio bahan

bakar-udara stoikiometrik

Rasio Ekivalen Equivalence Ratio)

s a

a s

AF FA

AF FA (1.13)

> 1 terdapat kelebihan bahan bakar dan campuran disebutcampuran kaya bahan bakar (fuel-r ichmixture).

< 1 campurannya disebut campuran miskin bahan bakar (fuel-lean m ixture)

= 1 merupakan campuran stoikiometrik


20/23


Rasio EkivalenDengan menggunakan rasio ekivalen, persen udara teoritis ataupersen udara lebih dapat ditentukan sebagai berikut:

Hubungan Rasio Ekivalen dengan Udara Lebih

(1.14a-b)

100% udara teoritis =

100 1-% udara lebih =


21/23


Rasio EkivalenContoh 1.6:Sebuah alat pembakar (burner) turbin gas beroperasi pada bebanpenuh dengan laju aliran massa udara 15,9 kg/s. Bahan bakarnya

adalah gas alam dengan komposisi ekivalen C1,16H4,32. Tentukan rasio

udara-bahan bakar dan laju aliran massa bahan bakar jika proses

pembakaran hendak dijaga pada kondisi campuran miskin bahan

bakar (fuel-lean m ixture) dengan rasio ekivalen 0,286

Penyelesaian:Diketahui:

pembakaran C1,16H4,32

rasio ekivalen, = 0,286

laju aliran udara aktual,Ditanya:

rasio udara-bahan bakar stoikiometris

AFdan laju aliran bahan-bakar,

15,9 kg/suam

bbam


22/23


Rasio EkivalenPenyelesaian lanjutan):Dari persamaan umum reaksi pembakaran (1.7), maka reaksi

pembakaran proses di atas adalah:

1,16 4,32 2 2 2 2 2

1,16 4,32 2 2 2 2 2

4,32 4,32 4,32C H 1,16 O +3,76N 1,16 H O 3,76 1,16 N

4 2 4

C H 2,24 O +3,76N 1,16 2,16H O 8,42N

CO

CO

Menggunakan persamaan (1.11), rasio udara-bahan bakar stoikiometrik

dapat ditentukan sebagai berikut:

Massa molekuler udara, Mu= 28,9 kg/kmol

Massa molekuler bahan bakar, Mbb

= (1,16)(12) + (4,32)(1) = 18,24 kg/kmol

Maka rasio udara-bahan bakar stoikiometris:

(28,9 kg/kmol)(2,24(1+3,76) kmol)16,89

(18,24 kg/kmol)(1 kmol)

u u u

s

bb bb bbs s

m M NAF

m M N


23/23

Lab Mekanika F lui da Teknik Mesin-F TUI Dr I r Harinaldi M Eng

Rasio EkivalenPenyelesaian lanjutan):Rasio udara-bahan bakar aktual dengan rasio ekivalen, = 0,286

dapat ditentukan dengan persamaan (1.13):

Karena rasio udara-bahan bakar juga menyatakan rasio laju aliranmassa udara-bahan bakar, maka dengan menggunakan persamaan

(1.11) dengan penyesuaian simbol maka laju aliran bahan bakar dapat

ditentukan:

16,8959,06

0,286

s

a

AFAF

15,9 kg/s 0,269 kg/s59,06

ua uaa bba

bba a

m mAF m

m AF

teknik pembakaran dasar-03

Documents