BAB 13 Campuran Bereaksi Dan Pembakaran New

Bab 13: Campuran Bereaksi dan Pembakaran hal.: 13.1

BAB 13. CAMPURAN BEREAKSI DAN PEMBAKARAN

Tujuan: Mempelajari sistem-sistem dengan reaksi kimia.Konsep-konsep dasar:

1. Konservasi massa.2. Konservasi energi (Hukum Termodinamika I)3. Hukum Termodinamika II

Laju reaksi tidak akan dibahas.

PROSES PEMBAKARAN

Bentuk reaksi pembakaran: reaktan produkatau: bahan bakar + oksidiser produk

Bahan bakar dianggap sempurna terbakar, bila: Semua C di bahan bakar menjadi CO2 di produk (penyebab pemanasan

global). Semua H di bahan bakar menjadi H2O di produk. (sebagai uap air). Semua S di bahan bakar menjadi SO2 di produk (penyebab polusi dan

korosi).

Bahan bakar: zat yang dapat dibakar (akan difokuskan ke HC saja).Contoh: a. bahan bakar bensin: C8H18 (oktan)

b. bahan bakar diesel: C12H26 (dodecane)c. gas alam: CH4 (metan)

Oksidiser:Contoh: a. oksigen murni dalam tangki, atau

b. udara: 21% oksigen dan 79% nitrogen (basis molal).

Perbandingan udara-bahan bakar:

Mudara = 28,97

Mbb = lihat Tabel A-1

Jumlah massa tetap, namun jumlah mol tidak.

Basis massa Basis molar


Contoh reaksi pembakaran metan dengan udara secara stoikiometri:

Catatan:o Persamaan ditulis per satuan mol bahan bakar.o Pembakaran stoikiometrik menghasilkan: CO2, H2O dan N2 saja.o Koefisien stoikiometrik diperoleh dari konservasi molal dari

masing-masing elemennya.

Persen udara teoretik: a. Persen udara lebihb. Persen udara kurang

Contoh: 150% udara teoretik = 50% udara lebih (pembakaran miskin) 80% udara teoretik = 20% udara kurang (pembakaran kaya) 100% udara teoretik = pembakaran stoikiometrik

Perbandingan ekuivalen () =

1: pembakaran kaya = 1: pembakaran stoikiometrik 1: pembakaran miskin

Pada pembakaran miskin: produk terdiri dari CO2, H2O, N2 dan O2.

Contoh:Pembakaran oktan dengan udaraA: Pembakaran stoikiometrik

Balans massa:

Jadi:

Koefisien stoikiometri


B: Pembakaran dengan 150% udara teoretik (50% udara lebih miskin)

Balans massa:

Jadi

Produk pembakaran (untuk bahan bakar HC):Teoretik: 1. Sempurna : CO2, H2O, N2

2. Miskin : CO2, H2O, N2, O2

3. Kaya : CO2, H2O, N2, CO, HC

Eksperimen: Orsat analyzer Gas chromatograph Infrared analyzer Flame ionization detector

Bila temperatur produk di bawah temperatur titik embun, maka bahan-bahan dari baja dapat terancam korosi.

Umumnya analisis dilakukan pada analisa kering (gas tanpa uap air)


KONSERVASI ENERGI BAGI SISTEM YANG BEREAKSI

Tujuan:Mengaplikasikan prinsip kekekalan energi pada sistem yang bereaksi.

Tingkat keadaan acuan standar untuk elemen stabil, dimana h = 0:o Tref = 298,15 K (25oC) = 537 R (77oF)o Pref = 1 atm

(berlaku untuk bentuk-bentuk stabil, contoh: O2, H2O, dan N2, bukan H, O atau N )

= entalpi pembentukan = entalpi senyawa (compound) pada tingkat keadaan standar/acuan= energi yang dikeluarkan atau diserap ketika senyawa tersebut terbentuk dari elemen-elemennya.

bila menyerap panas (endotermik), bila melepas panas (eksotermik).

Lihat Tabel A-25 dan A-25 E.

Entalpi senyawa selain pada tingkat keadaan standar:

Untuk air di Tabel A-25: a. sebagai cairan, ataub. sebagai uap air.

Entalpi penguapan:

Tingkat keadaan hipotetikal (tidak ada) Digunakan bila dihitung dari tabel gas ideal (Tabel A.23 atau A.23.E)

Entalpi pembentukan (Tabel A-25); = 0 untuk elemen stabil pada Tref, pref.

Dari tabel uap, tabel gas ideal dan lainnya.

Bila gas ideal.


NERACA ENERGI SISTEM-SISTEM BEREAKSI

Untuk Volume Atur (Sistem Terbuka): Reaktor dalam keadaan tunak:

Persamaan umum pembakaran bahan bakar HC dengan udara:

Balans energi perlaju mol bahan bakar:

(n adalah koefisien pada persamaan reaksi yang ditulis permol bahan bakar).

Untuk Massa Atur (Sistem Tertutup): dengan PE = KE = 0 , maka:

ENTALPI PEMBAKARAN DAN NILAI KALOR

Entalpi pembentukan bahan bakar (yang terdiri dari banyak variasi komponen) tidak seluruhnya diketahui dan ditabelkan.

Lebih mudah untuk memperoleh entalpi pembakaran dari eksperimen.

Bahan bakar pada TF

Udara pada TA

Produk pada TP

cvWcvQ

Produk Reaktan

Tabel A.25/A.25.E


Entalpi pembakaran: = perubahan entalpi produk dan entalpi reaktan ketika pembakaran sempurna terjadi pada T dan p tertentu:

dapat dihitung bila data elemen-elemen reaktan dan produk diketahui, atau dapat pula diperoleh melalui eksperimen dengan kalorimeter. Dimana:

Contoh dimana dapat pula digunakan dalam analisis energi:Ambil sebuah volume atur dalam keadaan tunak, Balans energi:

Nilai kalor: o Nilai kalor atas: higher heating value (HHV): bila H2O pada

produk dalam fasa cair (l).o Nilai kalor bawah: lower heating value (LHV): bila H2O pada

produk dalam fasa uap (g).o HHV - LHV = hfgH2O (lihat Tabel A.25).

Temperatur Api Adiabatik

Temperatur pembakaran adiabatik = temperatur api adiabatik = temperatur maksimum yang dapat dicapai oleh produk bila pembakaran terjadi secara adiabatik ( Q = 0 ).

Asumsi: PE = 0, KE = 0, = 0, = 0. Gas ideal untuk produk dan reaktan.

Balans energi:

atau:

Entalpi pembakaran pada Tref dan pref.

Iterasi Tmax = Tad lihat Contoh 13.8


ENTROPI ABSOLUT & HUKUM TERMODINAMIKA III

Hukum Termodinamika III (berdasarkan eksperimen):Entropi dari zat kristal murni pada temperatur absolut nol (0 K atau 0oR) adalah nol.

Entropi yang berdasarkan datum 0 K atau 0oR disebut entropi absolut. Entropi absolut beberapa zat pada tingkat keadaan acuan: Tref = 298.15

K dan pref = 1 atm ditabelkan pada Tabel A.25 atau A-25.E. Untuk air: dalam keadaan cair dan dalam keadaan uap air

(hipotetikal). Tabel A.22 s/d A.23:

entropi absolut berdasarkan temperatur pada 1 atm untuk beberapa gas ideal.

Bila entropi absolut pada tingkat keadaan standar diketahui, maka entropi pada tingkat keadaan lainnya dapat dihitung sebagai berikut:

(untuk gas ideal)

untuk setiap komponen:

Fungsi Gibbs Spesifik (lihat Subbab 11.3)

Datum untuk fungsi Gibbs didefinisikan seperti entalpi (lihat Tabel A.25) pada 25oC, 1 atm:

untuk elemen stabil = 0 untuk senyawa = lihat Tabel A.25.

Pada kondisi lain:

dimana:

Balans Entropi untuk Sistem-sistem yang Bereaksi

Reaktor dalam keadaan tunak: sistem terbuka (volume atur):

Bahan bakar pada TF

Udara pada TA

Produk pada TP

cvW

cvQ

b


Balans laju entropi per mol bahan bakar:

Untuk sistem tertutup (massa atur):

Balans entropi:

Balans entropi permol bahan bakar:

masukProdukReaktan

keluar

cvWcvQ

b

Koeff reaksi per mol bahan bakar


SEL BAHAN BAKAR (lihat: Ballard (Kanada))

Sel bahan bakar:Alat dimana bahan bakar dan oxidizer mengalami reaksi kimia yang dikontrol dan menghasilkan produk dan arus listrik.

Contoh: sel bahan bakar hidrogen-oksigen:

Reaksi hidrogen:

Reaksi oksigen:

Reaksi total:

(+ aliran listrik)


EKSERGI KIMIA (lihat Bab 7)

Bab 7: Konstribusi “termomekanikal” dalam eksergiBab 13: Konstribusi “kimia” dalam eksergi.

Eksergi kimia: kerja teoretik yang terdapat dari sistem yang terdiri dari bahan bakar, oxidizer dan sekeliling.

Reaksi di sel bahan bakar:

Balans laju energi per mol bahan bakar (KE =0):

Balans laju entropi per mol bahan bakar:

eliminasi :

Seluruh dan dievaluasi pada To dan po.= bila ada ketidakterbalikan dalam= 0 bila reversibel (tidak pernah negatif)

Kerja maksimum adalah bila = 0. Oleh karena itu, eksergi kimianya adalah:

Karena (lihat Persamaan 6.25) maka persamaan diatas dapat ditulis pula sebagai berikut:

Total eksergi


Dalam fungsi Gibbs:

dimana:

Analisis eksergi untuk sel bahan bakar:

o Untuk reaksi dalam sel sebagai berikut: , maka

eksergi kimianya adalah sebagai berikut:

o Untuk air yang masuk dalam bentuk cairan pada To, po dan keluaran dalam fasa uap pada To, , po, maka eksergi kimianya adalah:

o Untuk N2, O2 dan CO2 pada To, po:

o Untuk campuran gas ideal pada To, po yang hanya terdiri dari gas, maka: Eksergi kimia per mol campuran adalah:

karena

* lihat contoh soal dan soal-soal dalam menurunkan persamaan-persamaan di atas.

Fungsi Gibbs pembentukan lihat Tabel A-30


Eksergi Kimia Standar

Eksergi kimia standar: pada:To = 298,15 K (536,67 R)Po = 1 atm

Standar sekeliling: kumpulan zat-zat acuan yang konsentrasi standar yang mirip dengan kumpulan zat-zat di sekeliling.

Zat standar terdiri dari:1. komponen-komponen gas dari atmosfer.2. zat-zat padat dari muka bumi3. zat-zat ionik dan non-ionik dari laut.

Dua alternatif dari sekeliling acuan eksergi standar:o Model Io Model II

Contoh:

Tanpa ketakterbalikan, balans laju eksergi adalah:

Eksergi kimia bahan bakar:

Sehingga:

Dalam fungsi Gibbs:

Eksergi total:

Tabel A.26

CaHb pada To, po

O2 pada To, po

H2O (cair) pada To, po

cvWcvQ

CO2 pada To, po


Basis massa

Eksergi aliran:

BAB 13 Campuran Bereaksi Dan Pembakaran New

Documents

Transcript of BAB 13 Campuran Bereaksi Dan Pembakaran New