1.    Batubara

Proses terbentuknya batubara.

Batubara merupakan bhan bakar fossil yang terbanyak, batubara terbentuk diperkirakan adalah dari tumbuhan-tumbuhan yang memfosil. Ditaksir bahwa palng tidak diperlukan 20 kaki tumbuh-tumbuhan yang dipadatkan untuk memperoleh lapisan batu bara 1 kaki. Tumbuhan yang dipadatkan ini, tanpa adanya udara dan dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan yang tinggi, selanjutnya akan menjadi turf (tumbuhan lapuk), suatu bahan bakar yang mempunyai grade sangat endah , kemudian menjadi batubara coklat, lalu menjadi lignite, kemudian menjadi batubara subbitumin, lalu menjadi bitumin, dan akhirnya menjadi batubara antrasitik. Dengan berlangsungnya proses’’ aging”, batubara menjadi semakin keras , kandungan hidrogen dan oksigen berkurang, kandungan kebaasahan biasanya menurun, dan kandungan karbon meningkat.

Ada dua basis analisis batubara, yaitu analisis proksimasi dan analisis ultimasi. Kedua sistem analisis ini memberikan fraksi-fraksi massa atau gravimetrik dan komponen-komponen di dalam batubara dan kedua analisis dapat dilaporkan dengan berbagai cara yang berbeda. Pada saat setiap lapisan batubara, terdapat dua komponen yang dapat menunjukkan variasi penting dari kesluruan lapisan tersebut. Komponen tersebut adalah kebasahn dan abu. Fraksi abu bervariasi oleh karena abu pada dasarnya adalah bahan organik pada waktu proses pemadatan. Kadar kebasahan batubara sangat bervariasi, tergantung pada keterbukaan pada air tanah sebelum penambangan dan atas keterbukaan ke udara bebas sewaktu pengangkutan dan penyimpanan sebelum dibakar.

Oleh karena itu kadar abu dan kebasahan suatu batubara tertentu sangat bervariasi, maka biasanya laporan analisis batubara dibuat dengan basis bebas abu, bebas kebasahan (kering), baik secara ultimasi maupun secara proksimasi. Namun, untuk kegunaan perhitungan pembakaran dan pengangkutan batubara, analisis itu harus dikonversi kedalam basis ketika dibakar atau ketika diterima, yang mengikut sertakan kedua fraksi abu dan kebasahan dalam batu bara tersebut.

Analisis proksimasi adalah analisis batubara yang paling sederhana dan menghasilkan fraksi massa dari karbon tetap (FC), bahan bakar dapat menguap (VM), kebasahan(M), dan abu (A) dalam batubara. Analisis ini dapat dilakukan dengan menimbang, memanaskan, dan membakar sebuah sempel kecil batubara. Suatu sempel batubara dihaluskan (powderd coal) ditimbang dengan hati-hati lalu dipanaskan hingga 110⁰C (230⁰F) selama 20 menit. Sempel ini kemudian ditimbang kembali dan kehilangan massa dibagi dengan massa semula akan memberian fraksi massa dalam kebasahan sempel. Kemudian sempel dipanaskan ke temperatur 954⁰C (1750⁰F) dalam sebuah tabung  tertutup selama 7 menit, dan sesudah itu kemudian ditimbang. Massa yang hilang karenanya dibagi ddengan massa semula menghasilkan fraksi massa dari bahan yang dapat menguap didalam sempel. Sempel kemudian dipanaskan ke temperatur 732⁰C(1350⁰F) dalam sebuah cawan peleburan hingga ia terbakar sempurna. Sisanya kemudian ditimbang dan berat terakhir ini dibagi dengan berat semula  menghasilkan fraksi abu. Fraksi massa dari karbon tetap diperoleh dengan cara mengurangkan frakasi kebasaan, bahan dapat menguap, dan abu, dari kesatuan. Sebagai tambahan terhadap FC,VM,M, dan A, kebanyakan analisis proksmasi juga memuat fraksi massa sulfur (S) dan nilai pembakaran tinggi (HHV) batubara.

Analisis ultimasi batubara adalh suatu analisis laboratorium yang memuat fraksi massa karbon  (C), hidrogen (H2), oksigen (O2), sulfur (S), nitrogen (N2) didalam batubara sekaligus dengan nilai pembakaran tinggi (HHV)-nya. Kebanyakan analisis ultimasi memberikan kebasahan M dan A abu secara terpisah, tetapi beberapa analisis memasukkan kebasahan sebagai bagian dari frksi massa hidrogen dan oksigen. Analisis ultimasi diperlukan untuk menentukan kebutuhan udara pembakaran untuk suatu sistem tertentu dan hal ini, pada gilirannya, digunakan untuk mengukur sistem aliran bagi dapur pembakaran,. Perhitungan-perhitungan ini jika mungkin hendaklah didasarkan dari pada analisis ultimasi begitu terbakar.

Analisis batubara untuk beberapa batubara di Amerika yang khas ditunjukkan dalm lampiran C, bersamaan  dengan nilai pembakaran tingginya. Semua analisis itu dilaporkan dengan basis bebas kebasahan, bebas abu, dan sekaligus mengenai kadar kebasahan dan abu begitu ditimbang. Sekali kadar abu dan kebasahan dapat dihitung, fraksi massa yang lain dan nilai pembakaran pembakaran tinggi batubara dapat ditentukan dengan persamaan berikut :

Fraksi massa begitu terbakar = (fraksi massa bebas abu , kering) (1 – M – A )

Nilai pmbakaran tinggi begitu terbakar = ( HHV bebas abu, kering )(1 – M – A)

  1. Sifat- sifat batubara

Ada beberapa sifat batubara yang harus diperhatikan ketika memilih batubara untuk dipakai pada suatu kegunaan tertentu. Diantaranya adalh kadar sulfur, karakteristik pembakaran, daya tahan terhadap cuaca, temperatur perlunakan abu, kemampuan untuk digerinda serata kandungan energi batubara itu.

  1. Kadar energi

Kadar energi atau nilai suatu pembakaran  batubara adalh suatu sifat yang penting. Nilai pembakaran menunjukkan jumlah energi kimia yang terdapat dalam suatu massa atau volume bahan bakar. Didalam kebanyakan buku teks dan jurnal Amerika, nilai pembakaran ini selalu dinyatakan dengan British thermal  units per pound-massa (Btu/lbm), tetapi dalam bukku ini dipergunakan satuan kilojoule per kilogram (kJ/kg).

Ada dua macam nilai pembakaran, yaitu nilai pembakaran tinggi atau bruto dan nilai pembakaran rendah atau netto. Perbedaan antaea kedua nilai pembakaran ini pada dasarnya adalah sama dengan panas laten penguapan dari uap air yang terdapat dalam hasil gas buang ketika bahan bakar dibakar dengan udara kering. Dalam suatu sistem pembakaran aktual, hal ini temasuk air yang terdapat didalam bahan bakar  yang telah dibakar (kebasahan) dan air yang dihasikkan dari pembakaran hidrogen, tetapi tidak termasuk kebasahan yang dihasilkan oleh udara pembakaran. Oleh karenapanas laten penguapan air pada 1 lb/in2abs (tekanan parsial kira-kira uap air di gas buang) adalh sekitar 2400 kJ/kg, perbedaan antara nilai pembakaran tinggi dan pembakaran endah dihitung dengan cara pendekatan berdasarkan rumus berikut ini yang dapat terpakai untu sebarang bahan bakar dalam basis massa:

HHV – LHV = 2400(M + 9H2) kJ/kg

Dalam persamaan diatas  M dan H2 adalh kebasahan dan fraksi massa  hidrogen bahan bakar

Rumus Dulong :        HHV = 33950C + 144200 ( H2 –  ) + 9400S  kJ/kg

Contoh soal :

Hitunglah analisis ultimasi dan proksimasi dengan basis begitu diterima taksiran nilai pembakaran rendah dari nilai pembakaran tinggi yang tercantum didaftar nilai pembakaran tinggi yang dihitung dengan rumus Dulong, dan tentukan klasifikasi ASTM kelas dan kelompok dari batuu bara Stark Country, North Dakota dengan nilai A = 8 dan M = 39

Penyelesaian

Diket :           M = 39%

                      A  = 8%

                      Dari lampiran C

Analisis batubara proksimasi bebas abu

                      VM = 54,0%   S = 2,8%

                      FC  = 46,0%

                      100%         HHV = 28922 kJ/kg = 12435 Btu/lbm

          Analisis ultimasi bebas abu kering :

                      C = 72,4% , H2 = 4,7%  , O2 = 18,6%  N2 = 1,5%  S =2,8%

Untuk mengkonversi kesuatu basis batubara begitu diterima, faktor koreksi atau pelipatan adalah   (1 – M – A ) = (1,00 – 0,39 – 0,08 ) = 0,53. Analisis proksimasi begitu diterima menjadi:

          VM = 0,53 x 54,0 = 28,62%   S = 0,53 x 2,8 = 1,48%

          FC   = 0,53 x 46,0 = 24,38%

           M                        = 39,00%    HHV = 0,53 x 28,920 =15329 kJ/kg

           A                         =   8,00%                             = 0,53 x 12435  = 6591 Btu/lbm

                                         100,00%

Analisis ultimasi begitu diterima menjadi

                      C  = 0,53 x 72,4 = 38,37%      HHV = 15329 kJ/kg

          H2 = 0,53 x 4,7   =   2,49%                      = 6591 Btu/lbm

                      O2= 0,53 x 18,6 =   9,86%

                      N2= 0,53 x 1,5   =   0,80%

                      S  = 0,53 x 2,8   =   1,48%

                      M                      = 39,00%

                      A                       =   8,00%

                                                              100,00%

Nilai pembakaran rendah

LHV = HHV – 2400(M + 9H2 )

              = 15329 – 2400 (0,39 + 9 x 0,0249)

              = 13855 kJ/kg

              = 5957 Btu/lbm

Rumus  Dulong

          HHV = 33950C + 144200 ( H2 –  ) + 9400S  kJ/kg

           = 33950(0,3837) + 144200 (0,0249 – 0,0986)+ 9400(0,0148)

                  = 14979 kJ/kg

                  = 6440 Btu/lbm

  1.        i.            Minyak Bumi (Petrolium)

Sementara batubara dianggap berasal dari tumbuhan yang memfossil, maka minyak bumi dianggap berasal dari kehidupan laut yang membusuk sebagian. Minyak bumi atau minyak atau minyak mentah (crude oil) biasanya ditemui dalam kubah karang berpori yang besar. Minyak mentah biasanya dibagi atau di rengking menjadi tiga kategori, tergantung pada jenis residu yang tertinggal seperti fraksi yang lebih ringan didistilasi dari minyak mentah itu. Dengan sistem ini, minyak bumi diklasifikasikan sebagai minyak mentah basis parafin, basis aspal dan basis campuran.

Meski minyak mentah terdiri dari senyawa organik, analisis ultimasi dari semua minyak mentah ini adalah sedikit konstan. Fraksi massa karbon berkisar antara 84 hingga 87 persen, fraksi massa hidrogen berkisar antara 11 hingga 16 persen, jumlah fraksi oksigen dan nitrogen berkisar antara 0 hingga 7 persen, dan fraksi massa sulfur berkisar antara 0 sampai 4 persen.

  1. Sifat-sifat hasil minyak bumi

Sifat-sifat yang penting dalm minyak bumi serta turunanya adalah nilai pembakaran, berat atau bobot jenis, titik nyala, dan titik lumernya. Nilai pembakaran, biasanya nilai pembakaran tinggi, dinyatakan dalam satuan kilojoule per kilogram ( ataupun British thermal units per pound-massa) atau kilo joule per litter (ataupun British thermal units per gallon). Nilai pembakaran minyak bumi serta hasil-hasil minyak bumi ditunjukkan sebagai fungsi bobot jenis produk tersebut. Nilai pembakaran, dalam basis satuan massa, dari turunan minyak bumi naik apabila bobot turun atau bila “ API (American petroelium institut) dan ‘Be (Baume)-nya baik.

Bobot jenis suatu cairan adalah kerapatan cairan tersebut dibagi dengan kerapatan air pada 50⁰F (15,6⁰C). Bobot jenis minyak bumi dan produk-prosuk minyak bumi biasanya dinyatakan dalm satuan “Be atau API”. Hubungan antara bobt jenis s dan satuan ini adalah sebagai berikuut:

Bobot jenis = s =

Bobot jenis  = s =

Titik nyala (flash point) dari suatu cairan bahan bakar adalah temperatur minimum fluida pada waktu uap yang keluar dari permukaan fluida akan langsung menyala. Pada temperatur yang sedikit lebih tinggi, yang disebut dengan titik api (fire point), uap akan membantu pembakaran. Haruslah selalu diperhatikan agar tetap ad jaminan bahwa temperatur maksimum minyak tidak melewati titik nyala.

Titik lumer (pour point) dari suatu produk dari minyak bumi adalah temperatur terendah pada mana suatu minyak atau produk minyak akan mengalir dibawah kondisi standart. Titik ini ditentukan dengan mencari temperatur maksimum pada mana permukaan dari suatu sempel minyak dalam suatu tabung percobaan standart tidak bergerak selama 5 detik ketika tabung percobaan diputar diposisi horrizontal. Titik lumer adalah sama dengan temperatur ini ditambahlima derajat Fahrenheit.

  1.       i.            Bahan Bakar Gas

Hampir semua bahan bakar gas adalah bahan bakar fosil ataupun hasil sampingan (byproducts) dari bahn bakar fosil. Bahan bakar ini dapat dibagi menjadi tiga kelompol besar, yakni gas alam, gas pabrik, dan gas hasil sampingan. Beberapa komponen sisi serta sifat-sifat lain dari bahan bakar gas ini diberikan pada tabel Lampiran F.

Komposisi bahanbakar gas umunya dinyatakn dalam bentuk fraksi mole atau volume dari komponen gas itu. Analisis juga dapat dinyatakan dalam bentuk fraksi massa elemental. Untuk campuran gas ideal, fraksi mular dan volume adalah sama. Nilai pembakaran dari suatu bahan bakar gas umunya dinyatakan dalam satuan energi per satuan volume, seperti kilojoule per meter kubik atau British Thermal unit per kaki kubik, tetapi nilai ini adalah berbanding langsung dengan tekanan absolut dan berbanding terbalik dengan temperatur absolut. Nilai pembakaran juga dapat dinyatakan dalam bentuk energi per satuan massa (kJ/kg) dan besaran ini adalah bebas terhadap tekanan dan temperatur.

Nilai pembakaran volumetrik dari suatu campuran bahan bakar gas adalah sam dengan jumlah dari perkalian volume atau fraksi mole komponen individual dengan nilai pembakaran volumetrik komponen yang beerssangkutan. Bila nilai pembakaran volumetrik dari suatu komponen gas pada suatu temperatur referensi, Tv, dan tekanan referensi, Pr, diketahui, nilai pembakaran volumatrik dari campuran gas, HHVv, diperoleh dari persamaan berikut :

(HHVv campuran )Pr Tr = Ʃi (HHVv i)Pr Tr (Vi)

Dimana HHVv i dan Vi adalah nilai pembakaran tinggi volumetrik dari fraksi volumatrik komponen gas yang ke-i. Nilai pembakaran tinggi dari sejumlah senyawa yang mudah terbakar ditabelasi dalam lampiran G. Persamaan berikut ini apat dipakai untuk mengkonversi nilai pembakaran tinggi volumetrik pada tekanan dan temperatur referensi tertentu ketekanan dan temperatur lain:

(HHVv )P T = (HHVv )Pr Tx

 

Tekanan dan temperatur dalam persamaan diatas harus lah dalam keadaan Absolut.

Nilai pembakarav volumatrik HHVpada suatu tekanan P dan temperatur T dapat dikonversi menjadi nilai pembakaran gravimetrik HHVm dengan mengalihkan nilai volumetrik tersebut dengan volume jenis v dan gas pada tekanan dan temperatur yang sama:

HHVm = (HHVv )P T (v)P T

 

Volume jens suatu campuran gas dapat dihitung dari berat moleklar gas tersebut (MW) dan persamaan keadaan gas ideal seperti berikut :

v =

contoh soal

hitungah nilai pembakaran tinggi pada 10⁰C dan tiga atmosfir untuk suatu campuran gas denan komposisi sebagai berikut : 94, 3% CH4 , 4,2% C2H6, dan 1,5% CO2 .

penyelesaian

diket :

fraksi mole dari komponen gas. Pada 20⁰C dan 1 atm  (Lampiran G)

(HHVv)CH4 = 37204 kJ/m3            (HHVv)C2H6 = 65782 kJ/m3

(HHVv) CO2 = 0

Berat molekul campuran gas = 0,943(16) + 0,042(30) + 0,015(44)

                                                = 17,01 kg/kgmol

Pada 20⁰C dan 1 atm  :

                      (HHVv campuran ) = 0,943(HHVv)CH4  + 0,042(HHVv)C2H6 + 0,015(HHVv) CO2

                                                  = 0,943(37204) + 0,042(65782)

                                                  = 37846 kJ/m3

 

Pada 10⁰C dan 3 atm  :

                      (HHVv) 10⁰C dan 3 atm = 37846 x

 

                                                          = 37846 x

 

                                                         = 117550 kJ/m3

 

Volume jenis campuran gas = v =

Dimana diketahui :

                      P    = 3 atm = 1013 bar/atm (3 atm) = 3,039 bar

                      T    = 10 + 273 = 283⁰K

                      Rm = 0,08341 bar.m3 /(kg.mol) (K)

                        v  = Rm x T x P x berat molekul campuran

                            = 0,4552  m3/kg

                      HHVm = v(HHVv)

                                = 0,4552 m3/kg x 117550 kJ/m3

                                = 53506 kJ/kg

                                = 23008 Btu/lbm

Pembakaran gas alam mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan pembakaran minyak bumi dan batubara. Gas alam merupakan bahan paling mudah dibakar dan bercampur dengan udara secara baik. Pembakaran dilakukan secara bersih dengan menghasilkan sedikit abu.

KIMIA PEMBAKARAN

Oleh

Ainun Fuad

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK MESIN

Juli 2011

 

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulillah senantiasa penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, yang telah memberikan limpahan rahmat, hidayat dan taufiq-Nya sehingga kami dapat menyelesaikan makalah yang berjudul “KIMIA PEMBAKARAN untuk memenuhi tugas mata kuliah KIMIA TEKNIK.

Penulis menyadari sepenuhnya segala keterbatasan manusiawi yang dimiliki, sehingga makalah ini masih jauh dari kesempurnaan. Terselesaikannya makalah ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan berbagai pihak. Untuk itu ucapan terima kasih kami sampaikan kepada semua pihak yang telah memberikan  bantuan dan dukungan dalam penyelesaian makalah ini.

Semoga Allah SWT memberikan kebaikan atas bantuan yang diberikan kepada penulis. Besar harapan penulis semoga skripsi ini bermanfaat dan menambah wawasan serta pengetahuan bagi pribadi dan pembaca pada umumnya.

Malang,     Juli 2011

Penulis