TK-3004 Laboratorium Operasi Teknik Kimia

Semester II-2010/2011

Modul BAK

PEMBAKARAN

LAPORAN SINGKAT

Disusun oleh:

Kelompok B.01.2.40

Azka Azkiya Choliq (13008048)

Vincentius Dito Krista Holanda (13008064)

Pembimbing:

Dr. Tirto Prakoso

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2011

ABSTRAK

Pembakaran adalah peristiwa bertemunya bahan bakar dengan senyawa oksidan berupa

udara yang terjadi secara eksotermal dan disertai dengan pelepasan energi berupa panas dan

konversi senyawa kimia. Bahan bakar yang biasanya digunakan adalah senyawa organik

seperti hidrokarbon. Tujuan umum percobaan pembakaran adalah mendapatkan pengetahuan

tentang proses pembakaran dan faktor-faktor yang mempengaruhinya. Tujuan khusus

percobaan pembakaran adalah mengetahui pengaruh laju alir udara dan bahan bakar

terhadap efisiensi pembakaran, panas yang hilang, panas yang terbawa gas buang serta

pengaruh perubahan temperatur air terhadap efisiensi pembakaran. Sasaran percobaan

modul pembakaran adalah melakukan pengamatan visual terhadap kondisi flame dalam

tungku pembakaran, mengetahui pengaruh faktor laju alir bahan bakar dan udara terhadap

proses pembakaran, serta mampu menyusun neraca energi pada percobaan pembakaran.

Percobaan pembakaran ini dilakukan dengan menggunakan variasikan laju alir LPG dan Udara

sebanyak 6 macam. Laju alir LPG yang digunakan adalah 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2 g/s.

Sedangkan laju alir udara yang digunakan adalah 65, 75, 90, 100, 115, dan 120 kg/h.

Percobaan pembakaran ini dilakukan pada temperatur dan tekanan sebesar 25,5 ± 0,5 °C dan

693,85 ± 0,43 mmHg.

Hasil percobaan pembakaran kali ini menunjukkan bahwa efisiensi pembakaran tertinngi

dicapai dengan menggunakan laju alir udara dan gas berturut-urut sebesar 75 kg/h dan 1,4

g/s. efisiensi terendah diberikan oleh laju udara dan gas sebesar 115 kg/h dan 1,2 g/s. udara

berlebih juga memengaruhi efisiensi pembakaran. Pada percobaan kali ini, efisiensi tertinggi

diperoleh ketika nilai persen udara berlebih kurang dari 5% dengan laju alir udara sebesar 1,4

g/s. Laju alir udara juga berpengaruh terhadap bersarnya panas yang terbuang karena terbawa

aliran gas buang. Percobaan kali ini menunjukkan hubungan laju alir udara yang sebanding

dengan persen panas yang terbawa gas buang. Semakin besar laju alir udara, semakin besar

pula panas yang terbawa gas buang.

Kata kunci: pembakaran, efisiensi, panas, udara berlebih, laju alir udara.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.Pernyataan Masalah

Pembakaran merupakan suatu reaksi kimia eksotermal antara bahan bakar dan

oksigen dalam udara untuk menghasilkan energi panas, cahaya, dan konversi kimia.

Pembakaran merupakan salah satu proses yang penting dalam industri kimia karena panas

yang dihasilkan dapat dimanfaatkan sebagai energi untuk menjalankan proses-proses kimia

lain, seperti penggerak boiler, pemanas turbin uap, pengeringan, dll. Untuk itu, diharapkan

proses pembakaran menghasilkan energi panas yang seefisien mungkin tanpa banyak kalor

yang hilang atau bahan bakar yang tidak terbakar sempurna. Perancangan reaksi pembakaran

memerlukan pengetahuan yang mendalam tentang perbandingan laju alir udara dan bahan

bakar yang optimal sesuai stoikiometri reaksi.

Untuk mencapai pembakaran sempurna, dibutuhkan jumlah oksigen yang sesuai

dengan stoikiometri reaksi sehingga laju alir udara diatur sedemikian. Namun, di dunia nyata

hal ini sangat susah untuk dijaga karena keterbatasan desain alat pembakaran. Udara yang

masuk tidak semuanya tercampur sempurna dengan bahan bakar sehingga akan ada yang

tidak terbakar. Untuk itu, laju alir udara dibuat lebih banyak untuk memasukkan excess air.

Asumsi yang dipakai dalam percobaan kali ini adalah rekasi pembakaran berjalan sempurna.

Bahan bakar yang terbakar sempurna akan melepaskan sejumlah kalor yang dinamakan kalor

pembakaran. Akan terdapat juga kalor yang terbuang ke lingkungan karena dinding alat

pembakaran tidak terisolasi sempurna dari lingkungan. Efisiensi pembakaran didefinisikan

sebagai persen kalor yang digunakan terhadap kalor pembakaran.

1.2.Ruang Lingkup Percobaan

Percobaan ini menggunakan bahan bakar LPG Pertamina dengan komposisi 30%

propana dan 70% butana. Sebenarnya terdapat juga pentana di dalam tabung tapi

kandungannya sangat kecil sehingga bisa diasumsikan bahwa komposisi bahan bakar hanya

terdiri dari propana dan butana.

Percobaan ini mengukur 6 variasi laju alir gas bahan bakar dengan masing-masing laju

alir gas menggunakan 6 variasi laju alir udara sehingga total dilakukan 36 kali run. Setiap run

dilakukan dengan laju alir air pendingin konstan, yaitu 220 gram/detik. Efisiensi percobaan

dilakukan dengan mengukur temperatur gas buang (radiasi dan nonradiasi), temperatur air

pendingin keluaran, dan temperatur dinding alat pembakaran. Alat ukur yang digunakan

merupakan rotameter untuk mengukur laju alir air pendingin dan laju alir gas, air mass flow

meter untuk mengukur laju alir udara, termometer untuk mengukur temperatur dinding alat

pembakaran, dan termokopel untuk mengukur temperatur gas buang.

1.3.Tujuan Percobaan

Percobaan reaksi pembakaran ini bertujuan untuk:

1. Menentukan hubungan laju alir gas bahan bakar dan udara dengan efisiensi pembakaran.

2. Menentukan hubungan udara berlebih dengan efisiensi pembakaran.

3. Menentukan hubungan laju alir udara dengan banyaknya kalor yang terbawa oleh gas

buang.

BAB II

METODOLOGI PERCOBAAN

2.1. Alat dan Bahan

2.1.1. Alat

1. Unit pembakaran

2. Tabung LPG

3. Termometer

4. Termokopel

5. Stopwatch

6. Gelas ukur 1000 mL

2.1.2. Bahan

1. Bahan bakar LPG (30% propane dan 70% butane)

2. Air keran

2.2. Kalibrasi Rotameter

Rotameter digunakan untuk mengukur laju alir air pendingin. Untuk kalibrasi alat

tersebut, selang untuk input air pendingin dihubungkan dengan keran. Keran dibuka penuh

untuk mengalirkan air melewati rotameter. Skala rotameter dibaca dari pelampung yang

memiliki luas permukaan paling besar, yaitu di bagian atas peluru. Skala dibuat tetap,

kemudian volume air keluaran ditampung dengan gelas ukur untuk waktu tertentu. Dilakukan

variasi skala rotameter dari 120-300 gram/detik dengan kelipatan 20, kemudian diregresi linier

untuk mendapatkan persamaan kalibrasi rotameter.

2.3. Start Up Unit Pembakaran

Unit pembakaran dibawa keluar ruangan karena temperatur gas buang dapat mencapai

6000 C sehingga harus dibuang ke udara bebas. Sumber air pendingin berasal dari keran Lab

OTK dan sumber listrik berasal dari Lab Pilot. Air pendingin dialirkan melalui rotameter dan

diatur dengan valve yang tersambung. Selang keluaran air pendingin dihubungkan dengan

selokan. Main Switch dinyalakan, kemudian udara dialirkan masuk ke unit pembakaran

menggunakan kompresor dengan menekan tombol Start. Laju alir udara diatur dengan valve

yang tersambung dengan air mass flow meter. Selang tabung LPG disambungkan dengan

regulator pada unit pembakaran dan pressure valve dari tabung dibuka. Gas LPG dialirkan

dengan membuka valve yang tersambung dengan rotameter laju alir gas. Setelah laju alir air

pendingin, gas, dan udara cukup besar, tombol Ignition ditekan untuk menyalakan reaksi

pembakaran. Setelah temperatur gas buang yang dilihat pada skala termokopel mencapai

kestabilan, pengukuran dapat dimulai. Seiring dengan percobaan, tabung LPG disiram dengan

air keluaran yang bersuhu tinggi untuk memanaskan tabung karena sebagian gas LPG

membeku.

2.4. Pengambilan Data

Laju alir air pendingin dibuat konstan dengan skala rotameter sebesar 220 gram/detik.

Dibuat 6 variasi laju alir bahan bakar, yaitu 2,2; 2,0; 1,8; 1,6; 1,4; dan 1,2 gram/detik, dimulai

dari laju alir gas yang paling tinggi. Untuk setiap laju alir bahan bakar, divariasikan laju alir

udara sebanyak 6 kali, yaitu 65, 75, 90, 100, 115, dan 120 kilogram/jam. Total run sebanyak 36

kali.

Untuk setiap run, dilakukan pengukuran temperatur pada tiga titik dinding unit

pembakaran dan melalui termokopel. Temperatur yang diukur dengan termokopel terdiri dari

temperatur gas buang radiasi dan nonradiasi. Temperatur air keluaran dapat dilihat secara

langsung pada skala unit pembakaran.

BAB III

HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1. Pengaruh Laju Alir Udara dan LPG terhadap Efisiensi Pembakaran

Grafik 3.1 menunjukkan plot pengaluran data laju alir udara terhadap efisiensi

pembakaran. Terdapat 6 variasi laju alir udara, yaitu 65, 75, 90, 100, 115, dan 120 kg/jam.

50 60 70 80 90 100 110 120 1302526272829303132333435

Pengaruh Laju Alir Udara (kg/h) terhadap % Effisiensi

LPG 1,2 g/sLPG 1,4 g/sLPG 1,6 g/sLPG 1,8 g/sLPG 2,0 g/sLPG 2,2 g/s

Gambar 3.1 Hubungan laju alir udara terhadap efisiensi pembakaran

Dari gambar, terlihat bahwa laju alir udara sebesar 75 kg/h memberikan efisiensi

pembakaran paling tinggi. Efisiensi paling tinggi sebesar 34% dicapai pada laju alir udara

sebesar 75 kg/h baik pada laju alir gas 1,4 g/s dan 1,8 g/s. Efisiensi paling rendah sebesar 25%

terjadi pada laju alir udara sebesar 115 kg/h dengan laju alir gas 1,2 g/s. Di bawah 75 kg/h, laju

alir udara tidak mencukupi kebutuhan pembakaran gas secara sempurna sehingga masih ada

bahan bakar yang tidak bereaksi. Panas yang dihasilkan menjadi tidak maksimal. Laju alir udara

yang semakin besar juga akan menurunkan efisiensi karena panas yang terbawa aliran udara

dan ikut terbuang bersama exhaust gas akan semakin besar. Panas tersebut akan lebih dahulu

diserap oleh exhaust gas tanpa sempat digunakan untuk memanaskan air. Kapasitas panas

yang dapat diserap oleh udara dinyatakan dalam Cp.

Pengecualian terdapat pada laju alir gas sebesar 2,2 g/s dan 2,0 g/s dengan pola yang

menunjukkan pertambahan efisiensi seiring dengan meningkatnya laju alir udara. Hal ini

disebabkan pada saat laju alir gas sangat tinggi, jumlah udara yang dibutuhkan untuk

pembakaran bahan bakar secara sempurna juga semakin meningkat sehingga laju alir udara

harus semakin tinggi. Hal ini ditunjukkan dengan puncak efisiensi yang terletak pada laju alir

udara 90 kg/h. Laju alir udara yang lebih besar dari ini berakibat pada menurunnya efisiensi.

Faktor lain yang berpengaruh adalah kondisi alat masih dalam keadaan start-up sehingga

reaksi pembakaran belum berjalan dengan baik. Percobaan dimulai dari laju alir gas yang

paling tinggi, 2,2 g/s, ke laju alir gas yang paling rendah, 1,2 g/s.

Gambar 3.2 menunjukkan plot data laju alir LPG terhadap efisiensi pembakaran. Laju alir

LPG yang digunakan adalah 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; dan 2,2 g/s.

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.42526272829303132333435

Pengaruh laju alir LPG (g/s) terhadap % Efisiensi Pembakaran

ud 65 kg/hud 75 kg/hud 90 kg/hud 100 kg/hud 115 kg/hud 120 kg/h

Gambar 3.2 Hubungan laju alir LPG terhadap efisensi pembakaran

Grafik ini memperkuat analisis yang telah diambil sebelumnya, yaitu untuk laju alir LPG di

bawah 2,0 g/s, laju alir udara sebesar 75 kg/h memberikan efisiensi tertinggi. Namun, untuk

laju alir LPG yang besar, 2,2 g/s, dibutuhkan udara yang lebih banyak untuk mencapai reaksi

pembakaran sempurna. Hal ini ditunjukkan dengan efisiensi tertinggi yang diberikan oleh laju

alir udara 90 kg/h.

Dari gambar 3.1 dan 3.2 dapat disimpulkan bahwa reaksi pembakaran yang paling efisien

dicapai dengan laju alir udara sebesar 75 kg/h dan laju alir LPG sebesar 1,4 g/s. Hal ini

menunjukkan pembakaran berlangsung sempurna. Reaksi pembakaran yang paling tidak

efisien diberikan oleh laju alir udara 115 kg/h dan laju alir LPG sebesar 1,2 g/s. hal ini

menunjukkan aliran udara yang berlebih membawa sebagian besar panas keluar bersama

exhaust gas.

3.2. Pengaruh Excess Air terhadap Efisiensi Pembakaran

Gambar 3.3 menunjukkan plot data kelebihan udara terhadap efisiensi pembakaran.

Grafik ini digunakan untuk menentukan efisiensi tungku ketika diberikan jumlah udara yang

berlebih.

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.0020.000

22.000

24.000

26.000

28.000

30.000

32.000

34.000

36.000

Pengaruh % Udara Berlebih terhadap Efisiensi

LPG 1,2 g/sLPG 1,4 g/sLPG 1,6 g/sLPG 1,8 g/sLPG 2,0 g/sLPG 2,2 g/s

Gambar 3.3 Hubungan udara berlebih terhadap efisiensi pembakaran

Secara teoritik, reaksi pembakaran akan berlangsung optimal dengan excess air sebesar 5-

10%. Hal ini dibuktikan dengan grafik 3.3. Pada jumlah excess air di bawah 15%, efisiensi

pembakaran mencapai puncaknya. Bahkan pada laju alir LPG 1,4; 1,6; dan 2,2 g/s, excess air di

bawah 5% memberikan efisiensi yang paling besar. Secara umum, semakin besar jumlah udara

berlebih, efisiensi pembakaran semakin turun. Hal ini disebabkan apabila jumlah udara terlalu

banyak, panas yang diserap aliran udara dan dibawa keluar oleh exhaust gas sebelum sempat

digunakan untuk memanaskan air akan semakin banyak pula sehingga efisiensi alat semakin

sedikit.

Beberapa fluktuasi efisiensi pada jumlah udara berlebih yang tinggi dapat diabaikan

karena hal tersebut tidak mempengaruhi trend awal peningkatan efisiensi dengan excess air di

bawah 15%. Hal yang lebih penting adalah puncak-puncak efisiensi tertinggi pada jumlah

excess air tertentu.

3.3. Pengaruh Laju Alir Udara terhadap Kalor Gas Buang

Gambar 3.4 dan 3.5 menunjukkan hubungan laju alir udara terhadap persen panas gas

buang radiasi dan nonradiasi dari panas yang masuk. Secara teoritik, semakin besar laju alir

udara, semakin besar panas yang terbawa keluar oleh exhaust gas sebagai perbandingan

terhadap panas yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran. Hal ini tidak dikehendaki karena akan

semakin banyak panas yang tidak digunakan untuk meningkatkan suhu air.

50 60 70 80 90 100 110 120 13020

25

30

35

40

45

50

55

60

Pengaruh Laju Alir Udara (kg/h) terhadap % Q Fluegas Radiasi

LPG 1,2 g/sLPG 1,4 g/sLPG 1,6 g/sLPG 1,8 g/sLPG 2,0 g/sLPG 2,2 g/s

Gambar 3.4Hubungan laju alir udara terhadap % Q flue gas radiasi

50 60 70 80 90 100 110 120 13010

15

20

25

30

35

Pengaruh Laju Alir Udara (kg/h) terhadap % Q fluegas non Radiasi

LPG 1,2 g/sLPG 1,4 g/sLPG 1,6 g/sLPG 1,8 g/sLPG 2,0 g/sLPG 2,2 g/s

Gambar 3.5 Hubungan laju alir udara terhadap % Q flue gas nonradiasi

Pada gambar 3.4, semakin besar laju alir udara, semakin kecil kalor flue gas radiasi yang

terbentuk. Hal ini tidak sesuai dengan teori karena seharusnya kalor gas buang radiasi

meningkat. Penyebabnya adalah pada saat mengukur temperatur gas buang radiasi,

termokopel telah dipindah ke bagian gas buang nonradiasi sebelum skala pada display telah

stabil. Grafik yang lebih cocok untuk referensi adalah gambar 3.5 di mana semakin besar laju

alir udara, semakin besar kalor gas buang nonradiasi di setiap laju alir LPG. Hal ini sesuai

dengan teori, karena semakin besar udara berlebih yang masuk ke unit pembakaran, semakin

banyak kalor yang dibawa keluar oleh aliran udara bersama exhaust gas tanpa sempat

digunakan terlebih dahulu. Kalor gas buang nonradiasi ini mempunyai efek yang lebih

signifikan dibanding radiasi karena merupakan gabungan dari panas yang terbawa keluar oleh

proses konveksi dan konduksi di dalam unit pembakaran. Aliran udara dan dinding unit

pembakaran mentransfer panas melalui proses konveksi dan konduksi sehingga panas terukur

pada kalor gas buang nonradiasi.

3.4. Pengaruh ΔTair terhadap Efisiensi

Gambar 3.6 menunjukkan pengaliran data ΔTair terhadap efisiensi pembakaran untuk

setiap laju alir LPG. Diharapkan dengan semakin tinggi selisih suhu air keluaran dan air masuk,

semakin besar efisiensi dari alat.

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 7025

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

Pengaruh ΔT air terhadap Efisiensi

LPG 1,2 g/sLPG 1,4 g/sLPG 1,6 g/sLPG 1,8 g/sLPG 2,0 g/sLPG 2,2 g/s

Gambar 3.6 Hubungan ΔTair terhadap efisiensi pembakaran

Berdasarkan grafik, semakin besar beda temperatur air di setiap laju alir LPG, semakin

besar efisiensi yang diberikan oleh alat. Hal ini karena perbedaan temperatur air keluaran dan

air masukan menunjukkan besarnya kalor yang diterima oleh air. Semakin tinggi ΔTair, semakin

banyak kalor yang diterima oleh air untuk menaikkan suhunya dari suhu awal air. Hal ini

berarti reaksi pembakaran memberikan kalor lebih banyak kepada air. Efisiensi pembakaran

pun meningkat seiring meningkatnya kalor yang digunakan untuk memanaskan air.

3.5. Kondisi Api Pembakaran

Keadaan api merefleksikan besarnya energi yang dikeluarkan oleh reaksi pembakaran

tersebut. Hal ini berkorelasi juga dengan temperatur pembakaran dan kebutuhan oksigen

perlu disuplai. Tabel 3.1 menunjukkan keadaan api di setiap run.

Tabel 3.1 Kondisi api di setiap run

Run m LPG (gr/s)

m ud (kg/jam)

warna api Run m LPG (gr/s)

m ud (kg/jam)

warna api

1

1.2

65 BH 19

1.8

65 BH2 75 BH 20 75 BH3 90 B 21 90 BH4 100 B 22 100 BH5 115 B 23 115 BH6 120 B 24 120 B7

1.4

65 BP 25

2

65 BP8 75 BH 26 75 BP9 90 BH 27 90 BP10 100 B 28 100 BP11 115 B 29 115 BH12 120 B 30 120 BH13

1.6

65 BH 31

2.2

65 BP14 75 BH 32 75 BP15 90 B 33 90 BP16 100 BH 34 100 BP17 115 B 35 115 BP18 120 B 36 120 BH

Keterangan:

B : biru

BH : biru hijau

BP : biru putih

Berdasarkan teori, nyala api dengan suhu biru hijau memberikan suhu sekitar 16000 C,

biru sekitar 18000 C, dan biru putih di atas 20000C. Pada tabel 3.1, terlihat bahwa di setiap run

dijumpai warna nyala api biru. Hal ini sesuai dengan keadaan nyata, bahwa setiap LPG yang

digunakan untuk memasak menghasilkan warna biru. Warna merah oranye hanya akan timbul

saat LPG mulai habis. Sementara kandungan LPG dalam tabung masih banyak.

Perbandingan antarlaju alir LPG memperlihatkan bahwa temperatur api pembakaran

paling tinggi terdapat pada laju alir LPG 2,2 g/s. Hal ini sesuai dengan pengamatan pada

gambar 3.6, yaitu perbedaan temperatur air paling tinggi terdapat pada laju alir LPG sebesar

2,2 g/s. semakin banyak bahan bakar yang diberikan, semakin besar panas dihasilkan. Hal ini

berakibat pada meningkatnya temperatur api pembakaran. Hambatan dalam menghasilkan

pengamatan yang tepat ada pada ketidakjelasan jendela sight glass tempat melihat kondisi

api. Kaca telah buram dan susah untuk mengamati keadaan api.

BAB IV

KESIMPULAN DAN SARAN

4.1. Kesimpulan

1. Efisiensi pembakaran dipengaruhi oleh laju alir gas dan udara. Efisiensi tertinggi

diperoleh dengan menggunakan laju alir gas dan udara yang optimal, yaitu dengan

menggunakan laju alir udara sebesar 75 kg/h dan laju alir LPG sebesar 1,4 gr/s.

2. Efisiensi pembakaran paling tinggi diperoleh pada saat persen udara berlebih kurang

dari 5 %.

3. Laju alir udara sebanding dengan banyaknya panas yang terbawa oleh gas buang.

Semakin besar laju alir udara semakin besar persen panas yang terbawa oleh gas

buang.

4.2. Saran

1. Seharusnya pada unit pembakaran dilengkapi dengan wet test meter yang digunakan

untuk mengkalibrasi volume udara yang masuk tungku.

2. Seharusnya terdapat alat pengaman pada termokopel sehingga praktikan tidak perlu

takut terkena panas dari termokopel.

3. Orifice meter harus diperbaiki sehingga pengukuran laju alir udara menjadi lebih

presisi.

DAFTAR PUSTAKA

Geankoplis, Christie J..1993.Transport Process and Unit Operations.New Jersey: Prentice Hall

Perry, Robert H..1984.Perry’s Chemical Engineering’s Handbook, 4th ed..Singapore:Mc Graw-

Hill