PENYEDIAAN ENERGI

Kuliah ke-3

OlehHeriyanto

NERACA MASSA DAN ENERGI PEMBAKARAN

Reaksi PembakaranReaksi cepat dengan oksigen (O2)

yang menghasilkan nyala api

Oksigen

1) O2 murni

2) Udara : 21% O2, 79% N2

Rasio mol N2/O2 = 3,76

Reaksi PembakaranUnsur-unsur utama yang bereaksi

dg oksigen dan memberikan

kontribusi panas pembakaran

adalah: karbon (C) hidrogen (H) sulfur (S)

Bahan bakar CxHySz

1)CxHySz + (x + y/4 +z) O2

1 mol (x + y/4 +z) mol

1 m3 (x + y/4 +z) m3

x CO2 + y/2 H2O + z

SO2

x mol y/2 mol z

mol

x m3 y/2 m3

z m3

2) CxHySz + (x + y/4 +z)(O2 + 3.76N2)

1 mol + (x + y/4 +z)(O2 + 3,76N2

mol udara)

x CO2 + y/2 H2O + z SO2

x mol y/2 mol z mol

Kebutuhan udara:

(4.76x + 1.19y + 4.76z) mol udara/mol bahan

bakar

Pembakaran sempurna

Teoritis (produk CO2, tidak ada CO)

Pembakaran tidak sempurna

Produk mengandung CO (dan sisa CxHySz)

- Racun

- Pemborosan (panas tidak maksimal)

Komposisi Bahan Bakar

Sering dinyatakan dengan %-massa C dalam %-massa karbon H dalam %-massa hidrogen S dalam %-massa belerang O dalam %-massa oksigen

Biasanya persentase dinyatakan dalam

basis bebas air atau bebas air & abu (dry

atau mmf basis)

Oksigen dan hidrogen bersama selalu

berikatan

2H + O H2O

2g 16g

1 g Oksigen setara dengan 1/8 g

Hidrogen

Bila ada oksigen, hidrogen yang dapat

bereaksi dengan oksigen dari luar bahan

bakar berkurang dengan O/8

Kebutuhan massa udara

1 mol C = 12 g C 4,76 mol udara = 4,76 x 28,9 g

udara

1 g C 11,47 g udara

Dengan cara yang sama:

1 g S 4,3 g udara

1 g H 34,4 g udara

Kebutuhan udara teoritik, dihitung

dari komposisi bahan bakar

11,47 C + 34,4 (H - O/8) + 4,3 S x

1/100

(kg udara/kg bahan bakar)

C, H, O, S dalam persen massa

Agar pembakaran sempurna• Oksigen cukup banyak untuk bahan bakar

yang ada.• Oksigen dan bahan bakar campur dengan

baik.• Campuran oksigen-bahan bakar pada

temperatur yang lebih tinggi dari temperatur

nyalanya (flash ignition temperature).• Ruang pembakaran cukup besar sehingga

cukup waktu kontak untuk reaksi.

Panas Pembakaran:

UnsurPanas Pembakaran

kJ/kmol kJ/kg kcal/kmol

Carbon (C) 393 513 32 792 94 052

Hidrogen(H) 286 000 143 000 68 400

Sulfur (S) 291 000 9093 69 600

Dua Basis Pernyataan Nilai Kalor

Higher (Gross) heating value (HHV)

Panas yang dihasilkan pada pembakaran

bahan bakar dengan produk H2O berupa

cairan (dikondensasikan)

Contoh:

CH4 + O2 CO2 + 2 H2O + 890346

kJ/kmol

(gas) (gas) (gas) (cair)

Lower (Net) heating value (LHV)

Panas yang dihasilkan pada pembakaran

bahan bakar dengan produk H2O yang

dihasilkan berupa uap (gas)

Contoh:

CH4 + O2 CO2 + 2 H2O + 808158

kJ/kmol

(gas) (gas) (gas) (gas)

Hubungan antara HHV & LHV

LHV = HHV - mww

Selisih HHV dengan LHV =

Panas laten penguapan air pada tekanan

parsial uap air dalam produk pembakaran.

P = 101325 Pa

PH2O = 2/3 x 101325 = 67550 Pa

Pada tekanan ini w 2283 kJ/kg = 41095

kJ/kmol

LHV = 890346 –(2)(41095) = 808158 kJ/kmol

Sebagai pendekatan, selisih HHV dan NHV

dapat diambil harga

589 kcal/kg air

1040 Btu/lb air

2450 kJ/kg air

LHV = HHV – 2450 (W + 9H) kJ/kg

W = fraksi massa H2O dalam bahan bakar

H = fraksi massa Hidrogen dalam bahan bakar

Perkirakan Panas Pembakaran

bakarbahankg

kcalS

OHC

SO

HCkalorNilai

21758

3423,8083

32

69600

92

68400

12

97000

Estimasi HHV dg Persamaan Dulong:

C,H,O,S dalam fraksi massa, basis kering & bebas abu (dry, mineral-matter free)

bakarbkg

kJS

OHCHHV mmfdry .

94008

14420095,33,

Nilai kalor dalam basis basah &

mencakup abu (as-burned basis)

1001,

Sommfdryburnedas

AMHHVHHV

Dengan

M0 = %-berat air (kelembaban) bahan bakar

AS = %-berat abu bahan bakar

Contoh Soal

1. Gas LPG (55% mol C3H8 dan 45% mol

C4H10) dibakar sempurna dengan udara

(21% O2 dan 79% mol N2). Laju alir gas LPG

10 mol/menit.

a) Jika pembakaran dilaksanakan secara

stokhiometrik, tentukan laju alir dan

komposisi gas hasil pembakaran.

b) Jika pembakaran dilaksanakan dengan

ekses udara 20%, tentukan laju alir

udara yang diperlukan.

Penyelesaian:

Dasar perhitungan :10 mol/menit gas elpiji,

C3H8 = 5,5 mol

C4H10 = 4,5 mol

Persamaan reaksi stokhiometrik:

C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O

5,5 mol 27,5 mol 16,5 mol

22 mol

C4H10 + 6,5 O2 → 4 CO2 + 5H2O

4,5 mol 29,25 mol 18 mol

22,5 mol

a)Laju alir gas hasil pembakaran

= (16,5+18) mol CO2 + (22+22,5) mol H2O +

79/21 (27,5 +29,25) mol N2

= 34,5 mol CO2 + 44,5 mol H2O + 213,49 mol N2

= 292,49 mol/menit

Komposisi gas buang:

CO2 = 34,5/292,49 x 100% = 11,79%

H2O = 44,5/292,49 x 100% = 15,21%

N2 = 213,49/292,49 x 100% = 73,0%

b) Excess 20%

Oksigen yang diperlukan

= 1,2 x (27,5 +29,25) mol O2

= 68,1 mol/menit O2

Laju alir udara

= 100/21 x 68,1 mol/menit O2

= 224,28 mol/menit (9,3 kg/menit)

2) Batu bara memiliki komposisi (dalam fraksi

berat):

65% Carbon,

5% abu

30% Volatile Matter

Pada suatu proses pembakaran batu bara

ini ternyata menyisakan sisa-padat dengan

komposisi (dalam fraksi berat): 10% Carbon

dan 90% abu. Jika sisa padat terukur 40 kg,

berapakah jumlah batu bara yang telah

dibakar ?

Penyelesaian

Batubara (fraksi berat):

65% C, 5% Abu, 30% VM

Menghasilkan sisa padatan:

10% C dan 90% abu (sisa padatan 40

kg)Abu sebagai komponen kunci (jumlah tetap/tidak terbakar) Berat abu masuk = batubara x 5% Berat abu keluar = 90% x 40 kg Dengan demikian : batu bara yang telah dibakar adalah :

kg720%5

kg40%90batubara

Tugas 1 SOAL-1

Sebuah rumah tangga menjerang air 5 kg/hari dengan

menaikkan temperatur dari 30o menjadi 90o C (anggap

tidak ada yang menguap). Data berikut menunjukkan

perbedaan antara minyak tanah dan LPG

Minyak tanah: LPG:

NHV = 34000 kJ/kg NHV = 38000 kJ/kg

Efisiensi kompor = 20% Efisiensi kompor =

40%

Harga = Rp. 12000/L Harga = Rp.

6500/kg

Hitunglah kebutuhan masing-masing jenis bahan bakar

dalam kg/hari dan berapa biaya yang dibutuhkan

(dalam Rp/hari).

Tugas 1

SOAL-2

Pada suatu sistem pembakaran, banyak variabel

operasi yang perlu diperhatikan agar effisiensi

tetap terjaga. Berikan uraian mengenai hal-hal

berikut ini:

a)Apakah efek positif dan negatif ekses udara

b)Apakah efek positif dan negatif tingginya

temperatur pembakaran (atau dicerminkan

dengan tingginya temperatur gas cerobong)

SOAL-3

Sekam padi memiliki komposisi elemental dasar

kering (fraksi massa) C = 45%, H = 8%, O = 42%

dan sisanya abu. Panas pembakaran dasar kering ini,

NHV = 18000 kJ/kg.

a) Jika kadar airnya 15% dasar basah, hitunglah

komposisi elemental lengkap dasar basah (Ingat:

elemen H dan O dari air juga harus dimasukkan

sebagai H dan O dalam komposisi elemental).

b)Hitunglah panas pembakaran dasar kering dalam

besaran HHV (panas penguapan air 2200 kJ/kg).

c) Tulislah satu contoh industri yang memanfaatkan

biomassa sebagai sumber energi alternatif.