Grup 4 - Simulasi Pembakaran Metanol (FIX)

  • Published on
    05-Dec-2015

  • View
    221

  • Download
    8

DESCRIPTION

The simulation of methanol fuel combustion

Transcript

<p>UNIVERSITAS INDONESIA</p> <p>SIMULASI WAKTU TUNDA IGNISI REAKSI PEMBAKARAN METANOL DENGAN VARIASI TEKANAN, TEMPERATUR, DAN RASIO EKIVALENSI</p> <p>GROUP 4</p> <p>GROUP PERSONNEL:ADITYA KRISTIANTO (1206249681)ANDREAN DIYANDANA (1206263364)JULIUS FERDINAND (1206254731)ZAINAL ABIDIN JUFRI (1206314655)</p> <p>DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERINGFACULTY OF ENGINEERINGUNIVERSITAS INDONESIADEPOK 2015</p> <p>i</p> <p>DAFTAR ISI </p> <p>BAB I: PENDAHULUAN .......................................................................................... 1BAB II: TEORI DASAR ............................................................................................. 2BAB III: SIMULASI ................................................................................................... 6BAB IV: ANALISIS ...................................................................................................10BAB V: KESIMPULAN .............................................................................................14</p> <p>DAFTAR TABEL DAN GAMBAR</p> <p>TabelTabel 3.1. Data Hasil Variasi Percobaan ........................................................................6</p> <p>GambarGambar 3.1. Waktu tunda ignisi pada campuran (A), rasio ekivalensi 0,75 .................7Gambar 3.2. Waktu tunda ignisi pada campuran (B), rasio ekivalensi 0,75 .................7Gambar 3.3. Waktu tunda ignisi (A) pada berbagai rasio ekivalensi, Pi = 2,9 atm ......8Gambar 3.4. Waktu tunda ignisi (B) pada berbagai temperatur, Pi = 1,2 atm ..............9Gambar 4.1. Waktu tunda ignisi pada campuran (A), rasio ekivalensi 0,75 ................10Gambar 4.2. Waktu tunda ignisi (A) pada berbagai rasio ekivalensi, Pi = 2,9 atm .....11Gambar 4.3. Waktu tunda ignisi (B) pada berbagai temperatur, Pi = 1,2 atm .............12</p> <p>BAB IPENDAHULUAN</p> <p>Pada tugas kali ini, kami membuat simulasi waktu tunda ignisi pada reaksi pembakaran metanol. Simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak Chemkin 3.7.1 untuk menjalankan reaksi pembakaran. Waktu tunda ignisi dari reaksi diperoleh dengan cara memvariasikan tekanan, temperatur, dan rasio ekivalensi.Teori dasar diberikan sebagai acuan terhadap reaksi pembakaran metanol. Pada teori dasar, mahasiswa akan dipandu untuk memahami bagaimana reaksi terjadi. Sebelum terjadinya produk, reaksi berlangsung karena ada mekanisme. Mekanisme reaksi akan mempengaruhi produk dari reaksi pembakaran. Pada mekanisme reaksi, sebelum terbentuknya produk, mekanisme mempengaruhi kondisi operasi yang diperlukan untuk menghasilkan reaksi pembakaran sempurna.Program Chemkin yang dijalankan menggunakan mode Aurora. Mode tersebut berfungsi untuk mencari waktu tunda ignisi. Running dilakukan dengan komputer berkapasitas 32-bit dan OS Windows 7. Simulasi dilakukan dengan memasukkan data variasi dalam bentuk input format notepad. Hasil dari running program didokumentasikan dalam format wordpad.Hasil yang diperoleh dari simulasi adalah waktu tunda ignisi dan suhu ignisi. Hasil yang diperoleh ini terdiri dari banyak data karena variasi tekanan, temperatur, dan rasio ekivalensi yang diberikan. Hasil simulasi akan disajikan dalam bentuk tabel dan grafik. Hasil simulasi akan dianalisis untuk memahami faktor-faktor apa saja yang terkait dengan waktu tunda ignisi. Analisis juga akan membantu mahasiswa mempelajari hubungan yang terbentuk dari variasi tekanan, temperatur, dan rasio ekivalensi terhadap waktu tunda ignisi.</p> <p>BAB IITEORI DASAR2.1 Reaksi PembakaranPembakaran adalah suatu reaksi oksidasi bahan bakar oleh oksigen yang menghasilkan senyawa CO, CO2, atau H2O. Suatu reaksi pembakaran dikatakan sempurna apabila reaksi tersebut menghasilkan produk CO2 dan H2O. Reaksi pembakaran yang sempurna dapat diwakilkan pada persamaan reaksi berikut:</p> <p>Sedangkan untuk reaksi pembakaran yang tidak sempurna, produk yang dihasilkan adalah CO dan H2O. Produk hasil reaksi pembakaran ini dianggap tidak sempurna karena menghasilkan senyawa CO yang bersifat radikal. Reaksi pembakaran tidak sempurna dapat diwakilkan pada persamaan reaksi berikut: </p> <p>Senyawa CO dikatakan bersifat radikal karena memiliki ikatan atom yang tidak stabil sehingga bersifat merusak ikatan senyawa lain. Senyawa CO biasanya memiliki warna hitam seperti asap kendaraan bermotor yang mesinnya sudah buruk dan berbau tidak sedap bila dihirup. Senyawa CO dapat mengakibatkan penyakit kanker bila masuk ke dalam tubuh manusia.2.2 Tipe NyalaReaksi pembakaran dapat dilihat dari terbentuknya api. Api yang dihasilkan ternyata dapat dibedakan jenis nyalanya. Ada beberapa tipe nyala pada api hasil dari reaksi pembakaran. Nyala tersebut:a) Nyala Premix Laminer dan TurbulenNyala Premix adalah nyala api yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran karena bahan bakar yang berwujud gas dan oksidator(pada kasus ini gunakan senyawa O2) tercampur secara homogen sebelum terbakar. Nyala premix bisa terjadi baik pada aliran laminer maupun turbulen, jadi yang membedakan hanya jenis alirannya saja. Nyala premix pada aliran turbulen dapat dijumpai pada pembakaran dalam mesin mobil dan turbin gas.b) Nyala Non-Premix Laminer dan TurbulenNyala non-premix adalah nyala api yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran karena bahan bakar yang berwujud gas dan oksidator(pada kasus ini gunakan senyawa O2) tercampur secara homogen saat reaksi pembakaran berlangsung. Berbeda dengan nyala premix yang bahan bakarnya tercampur secara homogen sebelum reaksi pembakaran berlangsung. Nyala premix bisa terjadi baik pada aliran laminer maupun turbulen, jadi yang membedakan hanya jenis alirannya saja. Nyala non-premix pada aliran turbulen dapat dijumpai pada pembakaran dalam mesin roket hidrogen dan mesin diesel.c) Nyala Premix ParsialNyala premix parsial adalah jenis nyala yang dihasilkan reaksi pembakaran saat sebagian bahan bakar tercampur dengan udara sebelum pembakaran, dan sebagian baru tercampur saat pembakaran berlangsung. Contoh nyala premix parsial adalah pembakaran lilin.2.3 Faktor-Faktor yang Terkait Reaksi PembakaranDalam melangsungkan reaksi pembakaran, terdapat berbagai macam faktor yang mempengaruhi reaksi pembakaran. Faktor-faktor tersebut berpengaruh pada stoikiometri/komposisi produk yang dihasilkan, suhu reaksi, sisa reaktan, dan energi/panas hasil pembakaran. Faktor-faktor tersebut antara lain:a) Mekanisme ReaksiSuatu reaksi kimia pada umumnya adalah merubah reaktan menjadi produk. Proses terbentuknya produk tidak berlangsung begitu saja. Ada rangkaian mekanisme reaksi sebagai rute jalannya reaksi yang menetukan seperti apa reaktan akan berubah menjadi produk. Pada mekanisme reaksi tersebut, terbentuk berbagai macam senyawa perantara dan senyawa radikal yang menentukan senyawa akhir(produk). Sebagai contohnya pada reaksi pembakaran metanol, dapat terbentuk senyawa OH yang bersifat radikal karena ada satu elektron pada atom O yang belum berpasangan. Senyawa OH akan mengganggu ikatan senyawa lain sehingga terbentuk berbagai macam senyawa baru hingga antar senyawa tersebut saling bereaksi membentuk produk. Senyawa lain pada pembakaran metanol yang dapat terbentuk adalah formaldehida.b) SuhuMekanisme reaksi membentuk senyawa-senyawa perantara. Suhu juga ikut berperan dalam pembentukan senyawa perantara pada mekanisme reaksi pembakaran. Sebagai contoh pada reaksi pembakaran metanol, pada suhu yang rendah, terbentuk senyawa formaldehida. Pada suhu yang semakin naik, maka jumlah konsentrasi senyawa formaldehida sebagai senyawa perantara dalam mekanisme reaksi pun akan berkurang. Peningkatan temperatur juga mengakibatkan terbentuknya senyawa radikal yang berbeda dari senyawa radikal saat reaksi berjalan pada suhu rendah. Pada pembakaran metanol, semakin tinggi suhu, terbentuk senyawa radikal OH dan CO2. Pembentukan senyawa perantara ini disertai dengan penurunan konsentrasi metanol. Hal ini menunjukkan bahwa terjadi konversi reaktan menjadi senyawa perantara/radikal untuk berubah seutuhnya menjadi produk.c) Waktu tinggalWaktu tinggal adalah waktu yang dibutuhkan bahan bakar untuk tinggal di dalam wadah pembakaran(dalam konteks ini dapat dikatakan mesin pembakaran). Semakin lama bahan bakar tinggal di dalam mesin pembakaran, maka bahan bakar akan mengalami reaksi pembakaran semakin lama. Semakin lama reaksi yang dialami maka suhu akan semakin meningkat dan reaktan(bahan bakar) akan semakin habis jumlahnya karena terkonversi menjadi produk.d) Rasio EkivalensiRasio ekivalensi adalah perbandingan bahan bakar dengan udara pada keadaan aktual terhadap bahan bakar dengan udara pada keadaan stoikiometri. Rasio ekivalensi dapat dijelaskan pada persamaan berikut:</p> <p>Jika 1 maka sistem tersebut memiliki bahan bakar yang banyak.e) TekananTekanan pada sistem dapat mempengaruhi reaksi pembakaran. Tekanan berbanding lurus dengan suhu. Ketika tekanan tinggi, maka suhu akan ikut tinggi sehingga reaktan pada reaksi pembakaran mengalami konversi dengan cara terjadinya mekanisme reaksi sebagai rute terbentuknya produk. Jika tekanan rendah, suhu akan ikut rendah sehingga reaksi pembakaran berlangsung lambat dan pada akhirnya hanya sedikit konversi reaktan menjadi produk.2.4 Tahapan dalam Melakukan SimulasiDalam menghitung variasi data reaksi pembakaran, untuk mempermudah perhitungan dan pengumpulan data, dilakukan simulasi menggunakan perangkat lunak. Tahapan melakukan simulasi harus dimulai secara sistematis. Tahapn-tahapan tersebut:a) Investigasi Reaksi Elementer, Data Termodinamika, dan Data Kinetika Oksidasi MetanolTahapan ini dilakukan dengan mengumpulkan literatur tentang reaksi-reaksi elementer pada oksidasi metanol. Lalu, data kinetika yang diperlukan antara lain koefisien laju reaksi(k) yang diperoleh dari persamaan Arrhenius.b) Mengembangkan Model KinetikaPengembangan model kinetika dilakukan dengan menggunakan data reaksi elementer, data kinetika, dan termodinamika yang telah diperoleh dari literatur. Data yang telah diperoleh ini disusun dalam satu dokumen untuk dijadikan input ke program simulasi.c) Validasi MekanismeTahap ini dilakukan dengan membandingkan antara hasil permodelan dengan data yang diperoleh melalui percobaan laboratorium atau eksperimen. Data eksperimen yang digunakan engenai profil konsentrasi spesi dan profil waktu tunda ignisi pada sistem oksidasi(pembakaran) metanol.d) Analisis SensitivitasAnalisis sensitivitas adalah analisis untuk mengidentifikasi reaksi-reaksi yang tidak penting. Analisis sensitivitas mengidentifikasi langkah reaksi pembatas laju. Analisis ini dapat dilakukan dengan mengubah koefisien laju reaksi khusus dan permodelan konsentrasi radikal HO2 baik sebelum maupun sesudah perubahan koefisien laju reaksi. Hasilnya lalu dibandingkan dengan perbedaan terbesar yang dicapai sistem(hasil ini disebut koefisien sensitivitas). Koefisien sensitivitas yang rendah menunjukkan laju reaksi sistem secara keseluruhan turun dan konsentrasi HO2 rendah. Sedangkan koefisien sensitivitas yang tinggi menunjukkan hal yang sebaliknya.e) Analisis Laju ProduksiAnalisis Laju Produksi menghitung persentase kontribusi dari reaksi-reaksi yang berbeda ke pembentukan atau konsumsi spesi kimia yang terkait. Metode analisis ini dilakukan dengan memperhatikan distribusi spesi.f) SimulasiTahap ini dilakukan dengan mensimulasikan reaksi pembakaran metanol dengan variasi tekanan, suhu, dan rasio ekivalensi menggunakan perangkat lunak Chemkin.</p> <p>BAB IIISIMULASI</p> <p>Untuk simulasi waktu tunda ignisi, kami menggunakan program Chemkin untuk mereprenstasikan keadaan yang terjadi pada Shock Tube, dengan aplikasi Aurora, untuk mengetahui pengaruh temperature, tekanan awal, serta rasio ekivalensi terhadap waktu tunda ignisiBerikut kami cantumkan tabel data hasil rangkuman variasi percobaan menggunakan aplikasi Aurora :Tabel 3.1. Data Hasil Variasi PercobaanTrial ke-Pressure (bar)Temperature in (K)Rasio ekuivalensi ()Thermal ignition time (s)Thermal ignition time (ms)thermal ignition temperature (K)Komposisi CH3OHKomposisi O2Komposisi Ar</p> <p>12.914000.50.0002010.20114300.10.30.6</p> <p>22.915000.50.0007940.79414300.10.30.6</p> <p>32.916000.50.0003640.36414300.10.30.6</p> <p>42.917000.50.0001480.14814300.10.30.6</p> <p>52.918000.50.00007680.076814300.10.30.6</p> <p>62.9140010.000170.1714300.20.30.5</p> <p>72.9150010.00050.514300.20.30.5</p> <p>82.9160010.0002330.23314300.20.30.5</p> <p>92.9170010.0000990.09914300.20.30.5</p> <p>102.9180010.00005780.057814300.20.30.5</p> <p>112.9140020.0001390.13914300.40.30.3</p> <p>122.9150020.000360.3614300.40.30.3</p> <p>132.9160020.0001720.17214300.40.30.3</p> <p>142.9170020.00007910.079114300.40.30.3</p> <p>152.9180020.00005790.057914300.40.30.3</p> <p>161.218000.750.00007550.075514300.20.40.4</p> <p>171.218500.750.00007970.077214300.20.40.4</p> <p>181.219000.750.00008310.083114300.20.40.4</p> <p>191.220000.750.00008550.085514300.20.40.4</p> <p>201.221000.750.00009030.090314300.20.40.4</p> <p>211518000.750.000008720.0087214300.20.40.4</p> <p>221518500.750.000006470.0070114300.20.40.4</p> <p>231519000.750.000004540.0045414300.20.40.4</p> <p>241520000.750.000002330.0023314300.20.40.4</p> <p>251521000.750.0000005290.00052914300.20.40.4</p> <p>3.1. Variasi Tekanan AwalGambar 3.1. memperlihatkan profil waktu tunda ignisi pada campuran pada skripsi acuan, rasio ekivalensi 0,75, temperature awal dari 1000 K sampai 2200 K , dan dua tekanan yang berbeda yaitu 1,2 atm dan 15 atm. Waktu tunda ignisi pada tekanan 15 atm lebih kecil daripada tekanan 1,2 atm. Selain itu, semakin tinggi temperature awal, waktu tunda ignisi juga semakin kecil. Hal ini menunjukkan bahwa dengan tekanan dan temperature awal yang tinggi maka ignisi cepat tercapai, dan bahan bakar akan cepat terbakar.</p> <p>Gambar 3.1. Waktu tunda ignisi pada campuran (A), rasio ekivalensi 0,75</p> <p>Kemudian, kami membandingkan hasil dengan data percobaan yang kami lakukan dengan parameter yang sama dengan diatas. Percobaan kami menggunakan rentang temperature 1800-2100 K karena beberapa masalah yang kami dapatkan dengan hasil. Berikut hasil yang kami dapatkan :</p> <p>Gambar 3.2. Waktu tunda ignisi pada campuran (B), rasio ekivalensi 0,753.1. Variasi Rasio EkivalensiGambar 3.3 memperlihatkan profil waktu tunda ignisi dengan variasi rasio ekivalensi pada tekanan awal 2.9 atm, serta temperatur awal dari 1000K sampai 2100 K.</p> <p>Gambar 3.3. Waktu tunda ignisi (A) pada berbagai rasio ekivalensi, Pi = 2,9 atm</p> <p>Berdasarkan gambar 3.3 dapat diketahui bahwa ketika temperature dibawah 1546 K, campuran methanol pada kondisi kaya bahan bakar memiliki waktu tunda ignisi yang lebih kecil dari pada campuran miskin bahan bakar. Dengan demikian pada temperature dibawah 1546, campuran methanol udara yang kaya bahan bakar akan terbakar lebih cepat. Namun, ketika temperature diatas 1546 K, terjadi sebaliknya. Hal ini karena pada temperature tinggi, pengaruh rasio ekivalensi tidak lagi sebesar pengaruhnya pada temperature yang lebih rendah.Kemudian, kami membandingkan hasil dengan data percobaan yang kami lakukan dengan parameter yang sama dengan diatas. Percobaan kami menggunakan rentang temperature 1400-1800 K karena beberapa masalah yang kami dapatkan dengan hasil. Berikut hasil yang kami dapatkan :</p> <p>Gambar 3.4. Waktu tunda ignisi (B) pada...</p>