Langsung ke konten utama

ANALISIS PROSES PEMBAKARAN BAHAN BAKAR GAS ALAM(NATURAL GAS)


Gas alam (Natural gas) tersusun oleh komponen utama gas metana (CH4). Selain gas metana terkadang pada gas alam juga ditemui gas etana, propana, butana, karbonmonoksida, nitrogen, helium, dan hidrogen sulfida dalam jumlah kecil. Bahan bakar gas alam memiliki beberapa kelebihan jika dibanding jenis bahan bakar padat dan cair, yaitu :
  1. Tersedia dalam jumlah yang sangat besar di dalam perut bumi.
  2. Transportasi gas alam lebih mudah karena bisa melalui pipa-pipa gas bawah tanah.
  3. Menghasilkan pembakaran yang bersih, tidak menghasilkan hasil pembakaran yang membahayakan bagi lingkungan, tidak menghasilkan abu.
  4. Dapat digunakan pada ruang bakar yang sederhana.
  5. Harga bahan bakar gas lebih murah dibanding bahan bakar cair.
Pada contoh analisis proses pembakaran bahan bakar gas ini akan digunakan gas alam lapangan Ohio Amerika Serikat yang memiliki komposisi sebagai berikut (% volume) :
Hidrogen H2 = 1,82
Metana CH4 = 93,33
Etilena C2H4 = 0,25
Karbonmonoksida CO    = 0,45
Karbondioksida CO2 = 0,22
Nitrogen N2 = 3,40
Oksigen O2 = 0,35
Hidrogen sulfida H2S        = 0,18

Sifat-sifat penting yang akan kita hitung pada analisis ini adalah nilai kalor bahan bakar, jumlah kebutuhan udara untuk pembakaran, jumlah gas asap hasil pembakaran, komposisi gas asap, dan temperatur nyala api.

Analisis proses pembakaran
Berdasarkan komposisi gas alam dapat diketahui bahwa di dalam gas alam tersebut mengandung beberapa komponen yang mudah terbakar yaitu CH4, C2H4, H2, CO, dan H2S.


Reaksi pembakaran pada gas metana adalah
CH4 + 2O2 CO2 +     2H2O + 37.705,49 kJ/m3
Dengan prosentase 93,33% volume gas metana, maka kalor yang dihasilkan dari pembakaran 1 m3 gas metana adalah
37.705,49 x 0,9333 = 35.190,53 kJ
Reaksi pembakaran pada gas etilena adalah
C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O + 59.948,74 kJ/m3
Dengan prosentase 0,25% volume gas etilena, maka kalor yang dihasilkan dari pembakaran 1 m3 gas etilena adalah
59.948,74 x 0,0025 = 149,87 kJ

Reaksi pembakaran pada gas hidrogen adalah
H2 + 0,5 O2 H2O + 12.079,17 kJ/m3
Dengan prosentase 1,82% volume gas hidrogen, maka kalor yang dihasilkan dari pembakaran 1 m3 gas hidrogen adalah
12.079,17 x 0,0182 = 219,84 kJ

Reaksi pembakaran pada gas karbonmonoksida adalah
CO     + 0,5 O2 CO2 + 11.945,04 kJ/m3
Dengan prosentase 0,45% volume gas karbonmonoksida, maka kalor yang dihasilkan dari pembakaran 1 m3 gas karbonmonoksida adalah
11.945,04 x 0,0045 = 53,75 kJ

Reaksi pembakaran pada gas H2S adalah
H2S     + 1,5 O2 SO2 + H2O + 23.957,14 kJ/m3
Dengan prosentase 0,18% volume gas H2S, maka kalor yang dihasilkan dari pembakaran 1 m3 gas H2S adalah
23.957,14 x 0,0018 = 43,12 kJ

Nilai Kalor total yang dihasilkan dari 1 m3 gas alam adalah
Qh = 35.190,53 + 149,87 + 219,84 + 53,75 + 43,12 = 35.657,11 kJ/m3

Dari reaksi pembakaran metana memperlihatkan bahwa 1 m3 metana membutuhkan 2 m3 oksigen, sehingga 0,9333 m3metana akan membutuhkan :
2 x 0,9333 = 1,87 m3 O2

Dari reaksi pembakaran etilena memperlihatkan bahwa 1 m3 etilena membutuhkan 3 m3 oksigen, sehingga 0,0025 m3 etilena akan membutuhkan :
3 x 0,0025 = 0,0075 m3 O2

Dari reaksi pembakaran hidrogen memperlihatkan bahwa 1 m3 hidrogen membutuhkan 0,5 m3 oksigen, sehingga 0,0182 m3 hidrogen akan membutuhkan :
0,5 x 0,0182 = 0,0091 m3 O2

Dari reaksi pembakaran karbonmonoksida memperlihatkan bahwa 1 m3 karbonmonoksida membutuhkan 0,5 m3 oksigen, sehingga 0,0045 m3 karbonmonoksida akan membutuhkan :
0,5 x 0,0045 = 0,00225 m3 O2

Dari reaksi pembakaran H2S memperlihatkan bahwa 1 m3 H2S membutuhkan 1,5 m3 oksigen, sehingga 0,0018 m3 H2S akan membutuhkan :
1,5 x 0,0018 = 0,0027 m3 O2

Karena di dalam gas alam sudah terdapat kandungan oksigen sebanyak 0,35% volume sehingga kebutuhan total oksigen adalah
1,87 + 0,0075 + 0,0091 + 0,00225 + 0,0027 – 0,0035 = 1,88 m3

Karena udara dimana oksigen berasal mengandung nitrogen dengan perbandingan volume N2 : O2 = 3,762 : 1, maka terdapat nitrogen dengan jumlah teoritis:
1,88 x 3,762 = 7,09 m3

Jumlah udara teoritis yang diperlukan untuk pembakaran adalah
1,88 + 7,09 = 8,97 m3/m3 gas.

Pada reaksi pembakaran, 1 m3 metana menghasilkan 1 m3 CO2 dan 2 m3 H2O sehingga 0,9333 m3 metana akan menghasilkan :
0,9333 m3 CO2
2 x 0,9333 = 1,8666 m3 H2O

Pada reaksi pembakaran, 1 m3 etilena menghasilkan 2 m3 CO2 dan 2 m3 H2O sehingga 0,0025 m3 etilena akan menghasilkan :
2 x 0,0025 = 0,0050 m3 CO2
2 x 0,0025 = 0,0050 m3 H2O

Pada reaksi pembakaran, 1 m3 hidrogen menghasilkan 1 m3 H2O sehingga 0,0182 m3 hidrogen akan menghasilkan :
0,0182 m3 H2O

Pada reaksi pembakaran, 1 m3 karbonmonoksida menghasilkan 1 m3 CO2 sehingga 0,0045 m3 karbonmonoksida akan menghasilkan :
0,0045 m3 CO2

Pada reaksi pembakaran, 1 m3 H2S menghasilkan 1 m3 SO2 dan 1 m3 H2O sehingga 0,0018 m3 H2S akan menghasilkan :
0,0018 m3 SO2
0,0018 m3 H2O

Gas hasil pembakaran total adalah
0,9333 + 0,0050 +0,0045 = 0,9428 m3 CO2
1,8666 + 0,0050 + 0,0182 + 0,0018 = 1,8916 m3 H2O
0,0018 m3 SO2

Karena di dalam gas alam sudah mengandung 0,0022 m3 CO2 dan 0,034 m3 N2, maka hasil pembakaran akan terdiri dari :
0,9428 + 0,0022 = 0,945 m3 CO2
1,8916 m3 H2O
0,0018 m3 SO2
7,09 + 0,034 = 7,12 m3 N2
Sehingga jumlah teoritis total gas hasil pembakaran Vcp = 9,96 m3

Prosentase gas hasil pembakaran adalah :
CO2 = 9,49%
H2O    = 18,99%
SO2 = 0,02%
N2 = 71,51%

Kita asumsikan temperatur api adalah 1800°C. Pada temperatur ini kalor spesifik untuk unsur-unsur penyusun gas hasil pembakaran adalah
CO2 = 2,4226 kJ/m3
°C
H2O    = 1,9055 kJ/m3
°C
N2 = 1,4705 kJ/m3
°C

Karena prosentase SO2 sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Kontribusi kalor spesifik untuk masing-masing gas ditentukan sebagai berikut :
CO2 = 2,4226 x 9,49%     = 0,2298 kJ/m3
°C
H2O    = 1,9055 x 18,99%     = 0,3618 kJ/m3
°C
N2 = 1,4705 x 71,51%     = 1,0515 kJ/m3
°C
Total Ccp = 1,6431 kJ/m3
°C


Temperatur api teoritis dapat dihitung sebagai berikut :
Qh = Vcp x Ccp x tc
35.657,11 x 103 = 9,96 x 1,6431 x 103
x tc
tc = 2178,827 °C

Analisis perhitungan temperatur nyala api di atas adalah perhitungan teoritis dengan mengasumsikan bahwa terjadi pembakaran sempurna. Dalam praktiknya pembakaran yang terjadi adalah pembakaran tidak sempurna sehingga perlu jumlah udara yang berlebih dibanding jumlah udara teoritis yang dikenal dengan istilah excess air. Pada pembakaran tidak sempurna terjadi rugi-rugi bahan bakar dan kalor serta terjadi penurunan temperatur nyala api. Untuk meminimalkan rugi-rugi tersebut maka harus menggunakan excess air. Besar excess air tergantung pada jenis bahan bakar dan jenis pengapian. Untuk jenis bahan bakar gas alam adalah 3 – 10%. Pada perhitungan ini diambil excess air sebesar 10% sehingga menjadi :
Untuk excess air 10% = 8,97 x 0,10 = 0,897 m3

Jumlah kebutuhan udara sesungguhnya untuk pembakaran adalah
8,97 + 0,897 = 9,87 m3/m3 gas.

Karena udara dimana oksigen berasal mengandung nitrogen dengan perbandingan volume N2 : O2 = 3,762 : 1, maka terdapat nitrogen dengan jumlah sebenarnya:

9,87 x = 7,09 m3 = 7,799 m3

Hasil pembakaran akan terdiri dari :
0,9428 + 0,0022 = 0,945 m3 CO2
1,8916 m3 H2O
0,0018 m3 SO2
7,799 + 0,034 = 7,833 m3 N2

Sehingga jumlah sebenarnya total gas hasil pembakaran Vcp = 10,671 m3

Prosentase gas hasil pembakaran adalah :
CO2 = 8,86%
H2O    = 17,73%
SO2 = 0,02%
N2 = 73,40%

Karena prosentase SO2 sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Kontribusi kalor spesifik untuk masing-masing gas ditentukan sebagai berikut :
CO2 = 2,4226 x 8,86%     = 0,2145 kJ/m3
°C
H2O    = 1,9055 x 17,73%     = 0,3378 kJ/m3
°C
N2 = 1,4705 x 73,40%     = 1,0794 kJ/m3
°C
Total Ccp = 1,6317 kJ/m3
°C

Temperatur api sebenarnya dapat dihitung sebagai berikut :
Qh = Vcp x Ccp x tc
35.657,11 x 103 = 10,671 x 1,6317 x 103
x tc
\tc = 2047,81 °C

Komentar

Postingan populer dari blog ini

Kalor Jenis Benda dan Kapasitas Kalor

Tidak seperti besaran fisika umumnya, kalor adalah besaran yang tidak dapat dilihat. Jumlah kalor yang diserap atau dilepas suatu benda hanya dapat diukur dengan mengamati pengaruhnya terhadap bahan di sekitarnya. Untuk dapat merumuskan jumlah kalor, perhatikan percobaan berikut.





Pada gambar (a), kedua bejana diisi dengan zat cair yang sejenis dan dipanaskan dalam selang waktu yang sama. Ternyata pada bejana yang berisi zat cair lebih sedikit, suhunya lebih tinggi. Jadi, jumlah kalor yang diserap benda berbanding lurus dengan massa benda ( Q ∞ m). Pada gambar (b), kedua benda diisi zat cair yang sejenis dan sama massanya. Ternyata pada selang waktu yang sama, bejana yang dipanasi dengan api lebih besar, memiliki suhu yang lebih tinggi. Jadi, jumlah kalor sebanding dengan kenaikan suhu (Q ∞∆T). Pada gambar (c), bejana A diisi dengan alkohol dan bejana B diisi dengan air. Massa  kedua zat cair di dalam masing-masing bejana sama. Ternyata dalam selang waktu yang sama, suh…

PRINSIP KERJA CERMIN CEMBUNG

PRINSIP KERJA CERMIN CEMBUNG

Pendahuluan
cermin adalah Cermin yang dibuat paling awal adalah kepingan batu mengkilap seperti obsidian, sebuah kaca volkanik yang terbentuk secara alami. Cermin obsidian yang ditemukan di Anatolia (kini Turki), berumur sekitar 6000 SM. Cermin batu mengkilap dari Amerika tengah dan selatan berumur sekitar 2000 SM. Cermin dari tembaga yang mengkilap telah dibuat di Mesopotamia pada 4000 SM dan di Mesir purba pada 3000 SM. Di China, cermin dari perunggu dibuat pada 2000 SM.
Cermin kaca berlapis logam diciptakan di Sidon (kini Lebanon) pada abad pertama M,dan cermin kaca dengan sandaran dari daun emas disebutkan oleh seorang pengarang dari Romawi bernama Pliny dalam buku Natural History miliknya, yang dikarang sekitar tahun 77 M. Orang Romawi juga mengembangkan teknik menciptakan cermin yang kasar dari kaca hembus yang dilapisi dengan timah yang dilelehkan.Cermin parabola pantul pertama kali dideskripsikan oleh fisikawan dari Arab bernama Ibn Sahl…