Penulis : Sigit Sugiharto, S.pd; 081559915000;
[email protected] Penelaah :
Copyright 2016 Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Bidang Otomotif dan Elektronika, Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan Hak Cipta Dilindungi Undang‐Undang Dilarang mengcopy sebagian atau keseluruhan isi buku ini untuk kepentingan komersial tanpa izin tertulis dari Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan
Hal
i
KATA SAMBUTAN Peran guru professional dalam proses pembelajaran sangat penting sebagai kunci keberhasilan belajar siswa. Guru professional adalah guru yang kompeten membangun proses pembelajaran yang baik sehingga dapat menghasilkan pendidikan yang berkualitas. Hal tersebut menjadikan guru sebagai komponen yang menjadi focus perhatian pemerintah pusat maupun pemerintah daerah dalam peningkatan mutu pendidikan terutama menyangkut kompetensi guru. Pengembangan profesionalitas guru melalui program Guru Pembelajar (GP) merupakan upaya peningkatan kompetensi untuk semua guru. Sejalan dengan hal tersebut, pemetaan kompetensi guru telah dilakukan melalui uji kompetensi guru (UKG) nuntuk kompetensi pedagogic dan professional pada akhir tahun 2015. Hasil UKG menunjukkan peta kekuatan dan kelemahan kompetensi guru dalam penguasaan pengetahuan. Peta kompetensi guru tersebut dikelompokkan menjadi 10 (sepuluh) kelompok kompetensi. Tindak lanjut pelaksanaan UKG diwujudkan dalam bentuk pelatihan guru pasca UKG melalui program Guru Pembelajar. Tujuannya untuk meningkatkan kompetensi guru sebagai agen perubahan dan sumber belajar utama bagi peserta didik. Program Guru Pembelajar dilaksanakan melalui pola tatap muka, daring (online), dan campuran (blended) tatap muka dengan online. Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (PPPPTK), Lembaga Pengembngan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Kelautan Perikanan Teknologi Informasi dan Komunikasi (LP3TK KPTK), dan Lembaga Pengembangan dan Pemberdayaan Kepala Sekolah (LP2KS) merupakan Unit Pelaksana Teknis di lingkungan Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan yang bertanggungjawab dalam mengembangkan perangkat dan melaksanakan peningkatan kompetensi guru sesuai bidangnya. Adapun perangkat pembelajaran yang dikembangkan tersebut adalah modul untuk program Guru Pembelajar (GP) tatap muka dan GP online untuk semua mata pelajaran dan kelompok kompetensi. Dengan modul ini diharapkan program GP memberikan sumbangan yang sangat besar dalam peningkatan kualitas kompetensi guru. Mari kita sukseskan program GP ini untuk mewujudkan Guru Mulia Karena Karya. Jakarta,
Februari 2016
Direktur Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan
Sumarna Surapranata, Ph.D. NIP 195908011985032001
Hal
ii
Hal
iii
DAFTAR ISI KATA SAMBUTAN ............................................................................................... II DAFTAR ISI ......................................................................................................... IV DAFTAR GAMBAR.............................................................................................. VI DAFTAR TABEL ................................................................................................. VII DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... VIII PENDAHULUAN ................................................................................................... 1 A. B. C. D. E.
Latar belakang .............................................................................................. 1 Tujuan Pembelajaran ................................................................................... 1 Peta Kompetensi .......................................................................................... 2 Ruang Lingkup ............................................................................................. 2 Saran Cara Penggunaan Modul .................................................................. 4
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 :........................................................................ 5 A. B. D. E. F.
Tujuan ........................................................................................................... 5 Indikator ........................................................................................................ 5 Tugas........................................................................................................... 34 Rangkuman................................................................................................. 36 Umpan Balik ............................................................................................... 37
KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 :...................................................................... 38 A. B. C.
Tujuan ......................................................................................................... 38 Indikator ...................................................................................................... 39 Uraian Materi .............................................................................................. 40 Bahan Bakar ............................................................................................... 40 D. Tugas......................................................................................................... 100 E. Rangkuman............................................................................................... 100 F. Umpan Balik ............................................................................................. 100 KEGIATAN PEMBELAJARAN 3 ...................................................................... 101 A. B. C.
Tujuan ....................................................................................................... 101 Indikator .................................................................................................... 101 Uraian Materi ............................................................................................ 102 PEMBAKARAN BAHAN BAKAR ............................................................. 102 D. Aktifitas Pembelajaran............................................................................. 117 E. Tugas......................................................................................................... 120 F. Rangkuman............................................................................................... 121 G. Umpan Balik ............................................................................................. 122
Hal
iv
KUNCI JAWABAN TUGAS .............................................................................. 123 Evaluasi ............................................................................................................ 126 GLOSARIUM .................................................................................................... 126 H. DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 128
Hal
v
DAFTAR GAMBAR Gambar 1. LPG ................................................................................................... 85 Gambar 2. Pembuatan hidrogen melalui termokimia Sulfur-Iodin ....................... 92 Gambar 3. Fuel cell tunggal ................................................................................ 93 Gambar 4. Segitiga api ...................................................................................... 102 Gambar 5. Proses Pembakaran 15% Excess Air dan 100% Excess Air........... 113 Gambar 6. Diagram Segitiga Ostwald .............................................................. 115 Gambar 7. Orsat Aparatus ................................................................................ 116
Hal
vi
DAFTAR TABEL Tabel 1. Nilai HHV pada beberapa spesies pohon.............................................. 45 Tabel 2. Hasil uji proximate dan ultimate arang, batubara dan peat ................... 48 Tabel 3. Kadar hidrokarbon di dalam gas alam ................................................... 83 Tabel 4. Sifat-sifat fisik dan kimia berbagai bahan bakar gas ............................. 87 Tabel 5. Sifat fisika hidrogen ............................................................................... 89 Tabel 6. Sifat kimia hidrogen ............................................................................... 89 Tabel 7. Efisiensi produksi gas hidrogen ............................................................. 92 Tabel 8. Berat atom dan molekul ...................................................................... 105
Hal
vii
DAFTAR LAMPIRAN 1. Tabel nilai HHV dan LHV berbagai jenisbahan bakar…………………….…126
Hal
viii
PENDAHULUAN A. Latar belakang Modul Bahan Bakar dan Pembakaran ini membahas tentang beberapa hal mendasar yang perlu diketahui agar pembaca dapat memahami bagaimana bahan bakar itu diperoleh serta mampu menganalisis agar proses pembakaran berlangsung sempurna. Cakupan materi yang akan dipelajari dalam modul ini meliputi konsep-konsep dasar hidrokarbon sebagai penyusun utama bahan bakar, bahan bakar padat, bahan bakar cair, bahan bakar gas, bahan bakar hidrogen, propelan, pembakaran dengan udara berlebih, serta analisis gas buang Modul ini terdiri atas empat kegiatan belajar. Kegiatan belajar 1 membahas tentang hidrokarbon. Kegiatan belajar 2 membahas tentang bahan bakar cair, padat dan gas. Kegiatan belajar 3 membahas tentang Bahan bakar hidrogen. Kegiatan belajar 4 membahas tentang bahan bakar propelan. Kegiatan belajar 5 membahas tentang Pembakaran Setelah mempelajari modul ini peserta diklat diharapkan dapat memahami bahan bakar dan pembakaran serta penerapannya.
B. Tujuan Pembelajaran Setelah mempelajari modul ini pembaca diharapkan dapat: 1.
Memahami karakteristik hidrokarbon
2.
Memahami komposisi dan karakteristik bahan bakar padat, cair dan gas
3.
Memahami komposisi dan karakteristik bahan hidrogen
4.
Memahami komposisi dan karakteristik bahan propelan roket
5.
Memahami hubungan udara berlebih dan gas buang dalam proses pembakaran
Hal
1
Hal
D. Ruang Lingkup
Kegiatan Belajar I
Hidrokarbon
1) Perkembangan Ilmu Kimia Karbon
2) Kekhasan Atom Karbon
3) Hidrokarbon
4) Alkana
5) Alkena
6) Alkuna
2
10
MODUL GRADE
MODUL GRADE 9
MODUL GRADE 8
MODUL GRADE 7
MODUL GRADE 6
MODUL GRADE 5
MODUL GRADE 4
MODUL GRADE 3
MODUL GRADE 2
MODUL GRADE 1
SKG 20.14
SKG 20.13
SKG 20.12
SKG 20.11
SKG 20.10
SKG 20.9
SKG 20.8
SKG 20.7
SKG 20.6
SKG 20.5
SKG 20.4
SKG 20.3
SKG 20.2
SKG 20.1
C. Peta Kompetensi PETA MODUL KIMIA SMK-TEKNOLOGI REKAYASA
Kegiatan Belajar II Bahan Bakar Padat, Cair dan Gas 1)
Pengertian Bahan Bakar
2)
Bahan Bakar Padat o Bahan bakar kayu o Arang o Batubara
3)
Bahan Bakar Cair o Karakteristik bahan bakar cair o Minyak bumi
4)
Bahan Bakar Gas o Pengertian o Proses pengolehan o Komposisi o Jenis-jenis bahan bakar gas o Sifat-sifat bahan bakar gas
Kegiatan Belajar III Bahan Bakar Hidrogen 1)
Pengertian bahan bakar hidrogen
2)
Karakteristik hidrogen
3)
Pembuatan gas hidrogen
4)
Penggunaan bahan bakar hidrogen
Kegiatan Belajar IV Bahan Bakar Propelan Roket 1)
Propelan Padat
2)
Propelan Cair
Kegiatan Belajar V Pembakaran 1)
Pembakaran
2)
Proses Pembakaran o
Reaksi kimia pembakaran
o
Kebutuhan udara pembakaran
o
Udara lebih
Hal
3
o
Pengaruh udara lebih
o
Gas buang
E. Saran Cara Penggunaan Modul Untuk memperoleh hasil belajar secara maksimal, dalam menggunakan modul ini maka langkah-langkah yang perlu dilaksanakan antara lain : 1.
Bacalah dan pahami dengan seksama uraian-uraian materi yang ada pada masing-masing kegiatan belajar. Bila ada materi yang kurang jelas, pembaca dapat menggunakan referensi utama yang tertera dalam daftar pustaka.
2.
Kerjakan setiap tugas formatif (soal latihan) untuk mengetahui seberapa besar pemahaman yang telah anda miliki terhadap materi-materi yang dibahas dalam setiap kegiatan belajar.
3.
Untuk kegiatan belajar yang terdiri dari teori dan praktik, perhatikanlah halhal berikut:
a. b. c.
Perhatikan petunjuk‐petunjuk keselamatan kerja yang berlaku.
d. e. f.
Gunakan alat sesuai prosedur pemakaian yang benar.
Pahami setiap langkah kerja (prosedur praktikum) dengan baik. Sebelum melaksanakan praktikum, identifikasi (tentukan) peralatan dan bahan yang diperlukan dengan cermat.
Setelah selesai, kembalikan alat dan bahan ke tempat semula. Jika belum menguasai level materi yang diharapkan, ulangi lagi modul grade 7 sampai anda benar‐benar memahami.
Hal
4
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 : Hidrokarbon A. Tujuan Setelah menelaah kegiatan pembelajaran 1 ini, pembaca diharapkan dapat; 1.
Memahami kekhasan atom karbon
2.
Menentukan atom C primer, sekunder,tersier dan kuartener.
3.
Menggambarkan struktur ikatan pada senyawa karbon.
4.
Menjelaskan penggolongan hidrokarbon.
5.
Memahami klasifikasi hidrokarbon
6.
Memahami tatanama, isomerisasi, sifat fiska dan sifat kimia alkana
7.
Memahami tatanama, isomerisasi, sifat fiska dan sifat kimia alkene
8.
Memahami tatanama, isomerisasi, sifat fiska dan sifat kimia alkuna
B. Indikator 1. Menjelaskan hubungan elektron valensi atom karbon, dan jari-jari atom karbon dalam membentuk rantai karbon 2. Membedakan atom C primer, sekunder,tersier dan kuartener dalam rantai karbon 3. Menggambarkan struktur dengan lengkap dan penyingkatan 4. Mengklasifikasikan hidrokarbon ke dalam senyawa aromatik atau alifatik, serta jenuh atau tidak jenuh 5. Memahami tatanama alkana, alkena dan alkuna sesuai IUPAC 6. Menggambarkan isomeri pada alkana, alkena dan alkuna 7. Menganalisis sifat fisika alkana, alkena dan alkuna 8. Menjelaskan sifat kimia alkana, alkena dan alkuna 9. Merancang percobaan kimia untuk keperluan pembelajaran atau penelitian kimia
10. Melaksanakan percobaan kimia dengan cara yang benar
Hal
5
C.
Uraian Materi
KIMIA KARBON Karbon atau lebih sering dikenal dengan zat arang merupakan salah satu unsur kimia yang biasanya sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Kata karbon sendiri berasal dari bahasa Latin carbo yang berarti batu bara. Batu bara digunakan sangat baik untuk proses pembakaran, karena kandungan alotrop karbon yang stabil membuat batu bara yang telah panas dapat bertahan lebih lama untuk dijadikan bahan pembakaran. Selain dalam dunia otomotif karbon dapat kita jumpai dalam tutup distributor. Pada system pengapian distributor berfungsi sebagai alat pembagi tegangan yang diperoleh dari ignition coil
Gambar 1. Batang karbon pada tutup distributor mobil
a. Perkembangan Ilmu Kimia Karbon Pada awal perkembangan ilmu kimia (abad-18) yang ditandai oleh adanya pengelompokan senyawa-senyawa kimia menjadi 2 golongan besar, yaitu senyawa organik dan senyawa anorganik. Dasar yang digunakan dalam pengelompokan tersebut adalah asal-usul atau sumber penghasil senyawanya. Senyawa - senyawa yang berasal dari tumbuhan atau hewan dikelompokkan dalam senyawa organik (kata organik berkaitan dengan kata organisme, yang
Hal
6
artinya makhluk hidup), sedangkan yang dihasilkan oleh mineral (bukan makhluk hidup) termasuk dalam senyawa anorganik. Hasil-hasil penyelidikan pada waktu itu menyimpulkan bahwa ada perbedaan yang nyata antara senyawa organik dan anorganik, yaitu bahwa senyawa organik lebih rumit strukturnya dan mempunyai sifat yang lebih mudah terbakar daripada senyawa anorganik. Seorang ilmuwan Swedia yang bernama Berzelius
(tahun
1815)
menyatakan
bahwa
pembentukan senyawa organik mengikuti hukum-hukum kimia yang berbeda dengan yang berlaku dalam pembentukan senyawa anorganik. Hal inilah yang melahirkan anggapan bahwa senyawa organik hanya dapat terjadi bila ada pengaruh dari daya yang dimiliki Gambar 2. Friedrich Wohler
oleh makhluk hidup (teori vis vitalis). Dengan dasar
anggapan semacam itu maka timbul pandangan bahwa senyawa organik tidak dapat dibuat melalui eksperimen di laboratorium. Pada tahun 1828 seorang ilmuwan bangsa Jerman bernama Friedrich Wohler berhasil membuat amonium sianat menjadi urea di laboratorium. Berdasarkan pengelompokan yang berlaku, amonium sianat termasuk senyawa anorganik sedangkan urea termasuk senyawa organik (karena terdapat dalam hasil metabolisme tubuh hewan). Dengan demikian hasil eksperimen Wohler tersebut memberikan bukti bahwa senyawa organik dapat dihasilkan di laboratorium tanpa pengaruh daya yang dimiliki oleh makhluk hidup. Sintesis urea oleh Wohler merupakan awal dari lahirnya pandangan bahwa sebenarnya dalam senyawa anorganik dan senyawa organik tidak ada perbedaan mengenai hukum hukum kimia yang diikutinya. Kebenaran pandangan ini diperkuat oleh keberhasilan Kolbe (tahun 1845) dalam sintesis asam asetat dari unsur-unsurnya, dan juga sintesis metana oleh Berthelot (tahun 1846). Sejak diperolehnya bukti bahwa di antara senyawa anorganik dan senyawa organik tidak lagi mempunyai perbedaan yang hakiki sebagai senyawa kimia, maka penggunaan istilah anorganik dan organik dirasakan tidak perlu.Walaupun demikian, sampai sekarang kedua istilah tersebut tetap dipertahankan penggunaannya namun dengan makna yang berbeda dari arti semula. Dipertahankannya penggunaan kedua istilah tersebut didasarkan beberapa alasan, yaitu: (1) jumlah senyawa organik jauh lebih besar
Hal
7
daripada senyawa anorganik, (2) semua senyawa organik mengandung unsur karbon, suatu unsur yang mempunyai keunikan, yaitu dalam hal kemampuannya membentuk rantai dengan sesama atom karbon lainnya baik yang terbuka maupun tertutup (kemampuan ini dikenal dengan istilah katenasi) disertai sifat sifat yang khas. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa kimia organik pada hakikatnya adalah cabang dari ilmu kimia yang khusus mempelajari senyawasenyawa karbon. Berdasarkan pengertian semacam itu maka senyawa-senyawa karbon yang berupa karbon monoksida, karbon dioksida, senyawa-senyawa karbonat, karbon disulfida, dan sebagainya seharusnya dicakup juga dalam kimia organik. Namun mengingat bahwa senyawa-senyawa tersebut dianggap sebagai senyawa anorganik (menurut pengertian aslinya), maka lazimnya dibahas dalam kimia anorganik.
b. Kekhasan Atom Karbon Atom karbon mempunyai nomor atom 6, sehingga dalam sistem periodik terletak pada golongan IVA dan periode 2. Keadaan tersebut membuat atom karbon mempunyai beberapa keistimewaan sebagai berikut. a)
Atom karbon memiliki 4 elektron
This image cannot currently be display ed.
valensi Berdasarkan konfigurasi keenam elektron yang dimiliki atom karbon didapatkan bahwa elektron valensi
yang
mencapai
dimilikinya
kestabilan,
adalah
atom
4. ini
Untuk masih
membutuhkan 4 elektron lagi dengan cara berikatan kovalen. Tidak ada unsur dari golongan lain yang dapat membentuk ikatan kovalen sebanyak 4 buah dengan aturan oktet.
Gambar 3. Strktur atom karbon
Hal
8
b) Jari-jari atom karbon relatif kecil
Gambar 4. Jari-jari atom Dari gambar 4 dapat diketahui bahwa atom karbon terletak pada periode 2, dengan jari-jari atomnya relatif kecil sebesar 77 pm. Hal ini menyebabkan ikatan kovalen yang dibentuk relatif kuat dan dapat membentuk ikatan kovalen rangkap. c) Atom karbon dapat membentuk rantai karbon Atom karbon dapat membentuk rantai karbon yang sangat panjang dengan ikatan kovalen, baik ikatan kovalen tunggal, rangkap 2, maupun rangkap 3, selain itu dapat pula membentuk rantai lingkar (siklik).
C
C
Gambar 5. Ikatan kovalen tunggal
Hal
9
C
C
C
(a)
C
(b)
Gambar 6. (a) Ikatan kovalen rangkap 2; (b) Ikatan kovalen rangkap 3
H2C
CH2
H2C
CH2
H2 C
H2 C H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2 C H2
Gambar 7. Ikatan kovalen siklik d) Atom karbon memiliki perbedaan kedudukan dalam rantai karbon
Atom C tersier
Atom C primer
CH3 H3C
C CH3
Atom C kuartener
CH2
CH2
CH
CH2
CH2
CH3
CH3
Atom C sekunder
Dalam rantai karbon, setiap atom karbon dapat mengikat 1,2,3 atau 4 atom karbon yang lain. Berdasarkan jumlah atom karbon yang diikat, posisi atom karbon dapat dibedakan menjadi empat macam, yaitu: 1) Atom C primer, yaitu atom C yang berikatan dengan 1 atom C lainnya 2) Atom C sekunder, yaitu atom C yang berikatan dengan 2 atom C lainnya 3) Atom C tertier, yaitu atom C yang berikatan dengan 3 atom C lainnya
Hal
10
4) Atom C kuartener, yaitu atom C yang berikatan dengan 4 atom C lainnya.
c. HIDROKARBON Senyawa
hidrokarbon
merupakan
senyawa
karbon
yang
paling
sederhana karena hanya tersusun dari atom hidrogen dan atom karbon. Berdasarkan susunan atom karbon dalam molekulnya, senyawa hidrokarbon dibagi menjadi 2 golongan, yaitu senyawa hidrokarbon alifatik dan aromatik.
Sumber:
Raymound
Chang
2010
Gambar 8. Klasifikasi hidrokarbon Senyawa hidrokarbon alifatik adalah senyawa hidrokarbon yang memiliki rantai karbon dengan atom-atom karbon dapat saling mengikat dalam bentuk rantai lurus bercabang maupun bercabang atau cincin non aromatik (alisiklik) dengan ikatan kovalen tunggal, rangkap dan rangkap tiga. Pada umumnya senyawa alifatik mudah terbakar (flammable) sehingga sering digunakan sebagai bahan bakar, seperti metana untuk bahan bakar kompor dan asetilen untuk pengelasan (welding).
Berdasarkan
jenis
ikatan antar atom karbonnya
senyawa
hidrokarbon alifatik dapat dibedakan sebagai berikut:
Hal
11
a) Hidrokarbon alifatik jenuh Senyawa hidrokarbon alifatik jenuh adalah adalah senyawa hidrokarbon yang rantai C nya hanya berisi ikatan-ikatan tunggal saja serta mengandung jumlah atom hidrogen maksimal untuk setiap atom karbonnya, yang termasuk dalam golongan ini adalah alkana dan sikloalkana . Contoh senyawa hidrokarbon alifatik jenuh
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H
atau dituliskan
H3C
CH2
CH2
CH3
Gambar 9. Hidrokarbon alifatik jenuh alkana
H2C
CH2
H2C
CH2
H2 C
H2 C H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2 C H2
Gambar 10. Hidrokarbon alifatik jenuh sikloalkana b) Hidrokarbon alifatik tak jenuh Senyawa hidrokarbon alifatik tak jenuh adalah adalah senyawa hidrokarbon alifatik yang rantai C nya terdapat ikatan rangkap dua atau rangkap tiga serta mengandung jumlah atom hidrogen kurang dari maksimal untuk setiap atom karbonnya. Golongan yang memiliki ikatan antar atom C rangkap dua dinamakan alkena, sedangkan golongan yang memiliki ikatan antar atom C rangkap tiga dinamakan alkuna. Contoh senyawa hidrokarbon alifatik tak jenuh
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H
atau dituliskan
H2C
CH
CH2
Gambar 11. Hidrokarbon alifatik tidak jenuh alkena
Hal
12
CH3
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H
atau dituliskan
HC
C
CH2
Gambar 12. Hidrokarbon alifatik tidak jenuh alkuna
Senyawa hidrokarbon aromatik adalah senyawa hidrokarbon yang terdiri dari 6 atom karbon dengan ikatan tunggal dan atau ikatan ganda di antara atom-atom karbonnya yang membentuk rantai benzena. Contoh senyawa hidrokarbon aromatik: H C HC
CH
HC
CH C H
Gambar 13. Hidrokarbon aromatik benzena
d. ALKANA Alkana mempunyai rumus umum CnH2n+2 dengan n = 1,2,3,…. merupakan senyawa hidrokarbon dengan karakteristik seluruh ikatannya adalah ikatan kovalen tunggal.
Alkana merupakan senyawa hidrokarbon
jenuh, sehingga memiliki
jumlah atom H yang maksimum yang terikat pada setiap atom karbonnya. Alkana juga dinamakan parafin (dari parum affinis), karena sukar bereaksi
dengan
senyawa-senyawa lainnya. Senyawa alkana paling sederhana adalah adalah metana (CH4). Dalam molekul metana satu atom C mengikat 4 atom H. Metana dapat menurunkan senyawa alkana lainnya. Jika satu atom H pada metana diganti dengan atom C, maka akan terbentuk etana. Berdasarkan tetravalensi atom C, maka atom C kedua akan mengikat 3 atom H, sehingga rumus molekul etana adalah C2H6.
Hal
13
CH3
Perhatikan deret homolog alkana berikut. Tabel 1. Deret homolog alkana Nama
Rumus molekul
Metana
CH4
Etana
C2H6
Propana
C3H8
Butana
C4H10
Pentana
C5H12
Heksana
C6H14
Heptana
C7H16
Oktana
C8H18
Nonana
C9H20
Dekana
C10H22
Jumlah atom C
Struktur
CH4 H3C H3C H3C H3C H3C H3C H3C H3C H3C
CH3 CH2 (CH2)2 (CH2)3 (CH2)4 (CH2)5 (CH2)6 (CH2)7 (CH2)8
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
Titik Didih (0C)
1
-161.6
2
-86.6
3
-42.1
4
-0.5
5
36.1
6
68.7
7
98.4
8
125.7
9
150.8
10
174.0
Berdasarkan tabel deret homolog alkana dapat disimpulkan sebagai berikut: a. Setiap berbeda jumlah atom C sebanyak 1 maka struktur akan berbeda CH2 (Mr=14) b. Titik didih meningkat dengan bertambahnya jumlah atom karbon.
1) ISOMER ALKANA Atom karbon mampu membentuk senyawa hidrokarbon rantai lurus maupun bercabang.
Senyawa alkana
dengan
jumlah
C
yang
sama
dapat
mempunyai struktur yang berbeda. Semakin banyak jumlah atom C, semakin banyak struktur molekul yang dapat dibentuk. Senyawa yang mempunyai rumus molekul sama tetapi mempunyai struktur rangka yang berbeda dinamakan isomer rangka.
Pada 3 suku pertama senyawa alkana, yaitu metana (CH4), etana (C2H6), dan propana(C3H8) tidak mempunyai isomer rangka, karena hanya memiliki satu
Hal
14
struktur rangka. H H
C
H
H
H
a. Metana
H
H
C
C
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
c. Propana
b. Etana
Gambar 14. Senyawa alkana yang tidak mempunyai isomer rangka Butana (C4H10) mempunyai dua isomer, karena ada dua struktur yang dapat terbentuk dengan rumus molekul C4H10, yaitu:
H3C
CH2
CH2
H3C
CH3
CH
CH3
CH3
a. C4H10
b. C4H10
Gambar 15. Isomer rangka pada senyawa butana
Contoh soal 1.1 Berapakah jumlah isomer rangka yang dapat diidentifikasi dari C5H12 ? Strategi: Untuk molekul hidrokarbon dengan atom C kurang dari 8 adalah relatif mudah menentukan isomer rangka dengan mencoba-coba Pembahasan: Pertama tuliskan struktur rantai lurusnya H3C
CH2
CH2
CH2
CH3
Kedua tuliskan stuktur rantainya dengan membuat 1 atom C sebagai cabang H3 C
CH
CH2
CH3
CH3
Ketiga tuliskan struktur cabang lain yang mungkin CH3 H3C
C CH3
CH3
Hal
15
Secara umum jumlah isomer rangka pada senyawa alkana dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 2. Jumlah isomer beberapa senyawa alkana Rumus molekul
Jumlah Isomer
Rumus molekul
Jumlah Isomer
CH4
1
C6H14
5
C2H6
1
C7H16
9
C3H8
1
C8H18
18
C4H10
2
C9H20
35
C5H12
3
C10H22
75
2) TATA NAMA ALKANA Banyaknya kemungkinan struktur senyawa karbon dengan jumlah C yang sama,
menyebabkan
perlunya
pemberian nama yang dapat menunjukkan
jumlah atom C dan rumus strukturnya secara lebih spesifik. Aturan pemberian nama hidrokarbon telah dikeluarkan oleh International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) agar dapat digunakan secara internasional. Aturan tata nama alkana 1. Rantai karbon tidak bercabang (lurus) Jika dalam rantai karbon terdiri dari 4 atom karbon atau lebih, maka nama senyawa alkana diberi nama awalan n- (normal), sebagai contoh
Hal
16
H3C
CH2
CH2
CH3
n-butana
H3C
CH2
CH2
CH2
CH3
n-pentana
H3C
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
n-heksana
Gambar 16. Nama senyawa alkana berantai lurus
2. Jika rantai karbon bercabang a. Tentukan rantai utama, yaitu rantai karbon terpanjang dari ujung satu ke ujung yang lain. Rantai utama diberi nama alkana, sebagai contoh H3C
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
CH2 CH3
Gambar 17. Penentuan rantai utama senyawa alkana rantai utama terdiri dari 8 atom C, sehingga diberi nama oktana. b. Berilah nomor sehingga cabang berada pada nomor terkecil dari rantai utama, sebagai contoh
H3C
3 CH
4 CH2
5 CH2
6 CH2
7 CH2
8 CH3
2 CH2 1 CH3
Gambar 18. Penentuan nomor pada tata nama senyawa alkana c. Tentukan cabang, yaitu atom C yang yang terikat pada rantai induk. Cabang merupakan gugus alkil dan beri nama alkil sesuai struktur alkilnya. Perhatikan beberapa gugus alkil berikut: Tabel 3. Beberapa nama dan struktur alkil
Hal
17
Nama
Struktur
Metil
CH3
Etil
CH2
CH3
Propil
CH2
CH2
CH3
CH
Isopropil
CH3
CH3
Butil
CH2
Isobutil
CH2
CH2
CH3
CH2
CH
CH3
CH3
s.butil
CH
CH2
CH3
CH3
t.butil
CH3 C
CH3
CH3
etil CH3 CH2 H3C
metil
3 CH
4 CH
2 CH2
CH3
1 CH3
5 CH
6 CH2
7 CH2
8 CH3
metil
Gambar 19. Penentuan nama cabang pada tata nama senyawa alkana d. Urutan penulisan nama senyawa alkana
Hal
18
Urutan penulisan nama untuk senyawa alkana bercabang, yaitu (1) nomor cabang-nama cabang nama rantai induk (2) jika terdapat lebih dari satu alkil sejenis, maka tulis nomor cabang dari alkil sejenis dan beri awalan alkil dengan di, tri, tetra,penta dan seterusnya sesuai dengan jumlah alkil sejenis, dan (3) jika terdapat dua atau lebih jenis alkil, maka nama-mana alkil disusun menurut abjad sesuai alphabet, sebagai contoh berikut:
etil CH3 CH2 H3C
metil
3
4
CH
CH
2 CH2
CH3
1 CH3
5
CH
6
CH2
7
CH2
8
CH3
metil 5-etil-3,4-dimetioktana
Gambar 20. Penulisan nama alkana bercabang e. Jika terdapat beberapa pilihan rantai induk yang sama panjang, maka pilih rantai induk yang mempunyai cabang lebih banyak, sebagai contoh
Hal
19
H3C
CH2
CH HC
CH2
CH2
CH2
CH3
CH2
CH2
CH3
CH3
CH3
3-isopropilheptana H3C
CH2
CH HC
CH2 CH3
CH3
3-etil-2-metilheptana Gambar 21. Pemilihan rantai dengan cabang terbanyak Sesuai aturan pemilihan rantai dengan jumlah cabang terbanyak maka penamaan yang tepat adalah 3-etil-2-metilheptana. f.
Gugus alkil dengan jumlah atom C lebih banyak diberi nomor yang lebih kecil, sebagai contoh H3C
CH2
CH CH2 CH3
CH2
CH2
CH2
CH3
CH3
metil
etil Gambar 22. Pemilihan prioritas cabang penamaan senyawa alkana Sesuai aturan prioritas cabang dengan jumlah atom C terbanyak maka penamaan yang tepat adalah 3-etil-5-metilheptana
Contoh soal 2.1 Berilah nama senyawa berikut !
CH3 H3C
CH CH3
Startegi
CH
CH2
CH3
Hal
20
Contoh soal 2.2 Berilah nama pada struktur senyawa alkane berikut ? CH3 H3C
C
CH
CH2
CH
CH3
CH2
CH2
CH3
CH2
CH2
CH3
CH3
Strategi: Gunakan aturan penamaan IUPAC dengan memilih rantai terpanjang dengan jumlah cabang terbanyak sebagai rantai utama, urutan nama cabang sesuai alphabet, dan gunakan di, tri, …. untuk jumlah cabang yang sama lebih dari 1 Pembahasan:
metil
Hal
CH3 H3C1
C2
3
CH
4
CH2
5CH
CH2
CH3
21
Contoh soal 2.3 Berilah nama pada struktur senyawa alkana berikut ? CH3 CH2 H3C
CH
CH
CH2 HC CH3
CH
CH2
CH2
CH3
CH3
CH3
Strategi: Gunakan aturan penamaan IUPAC dengan memilih rantai terpanjang sebagai rantai utama, beri nomor sehingga cabang pada nomor terkecil, urutan nama cabang sesuai alphabet, untuk gugus iso tidak termasuk pedoman pengurutan alphabet Pembahasan:
Hal
etil CH3
22
3) SIFAT-SIFAT ALKANA a) Sifat fisika 1. Wujud Pada suhu kamar (20 0C), empat suku pertama berwujud gas, suku ke 5 hingga suku ke 16 berwujud cair, dan suku di atasnya berwujud padat. 2. Kelarutan alkana Pada antar molekul alkana terikat dengan gaya dispersi Van der Waals sedang antar molekul air terdapat ikatan hidrogen. Ketika terjadi interaksi antara molekul alkana dengan molekul air akan terjadi ikatan yang hanya melibatkan gaya dispersi Van der Waals dengan menghasilkan energi (eksotermik), namun energi yang dihasilkan tidak cukup mengimbangi energi yang diperlukan untuk memutuskan ikatan hidrogen dalam air, sehingga alkana tidak dapat larut dalam air. Namun demikian alkana dapat larut dalam pelarut non polar, bahkan alkana seringkali digunakan sebagai pelarut senyawa-senyawa non polar. 3. Titik didih alkana
Hal
23
Gambar 23. Titik didih n-alkana dan isoalkana Pada antar-molekul alkana bekerja gaya Van der Waals, terdapat dua faktor penentu untuk kekuatan gaya Van der Waals, yaitu jumlah elektron yang mengelilingi molekul yang meningkat dengan berat molekul alkana dan luas permukaan molekul alkana. Dari gambar 23 titik didih dari 20 suku pertama senyawa normal alkana (n-alkana) cenderung meningkat dengan bertambahnya berat molekulnya, hal ini terjadi karena gaya Van der Waals semakin kuat dengan bertambahnya berat molekul. Kenaikkan titik didih hampir berhubungan linear dengan berat molekulnya. Setiap bertambah 1 atom karbon dalam rantai karbon titik didih mengalami kenaikkan sebesar
20-30 ° C, sehingga hal ini
merupakan salah satu sifat homolog alkana. Dari gambar 23 juga diketahui titik didih n-alkana lebih tinggi dari isoakana yang bersesuaian. Perbedaan struktur rantai pada alkana menghasilkan luas permukaan yang berbeda, rantai lurus mempunyai luas permukaan yang lebih besar daripada rantai bercabang. Luas permukaan berpengaruh terhadap besarnya gaya Van der Waals, semakin luas permukaan molekul alkana yang semakin besar nilai gaya Van der Waals.
b) Sifat kimia 1. Alkana sangat tidak reaktif terhadap sebagian besar pereaksi.
Hal
24
2. Bereaksi dengan oksigen menghasilkan karbondioksida dan uap air serta energi, CnH2n+2 + ((3n+1)/2)O2 → (n+1)H2O + nCO2 + energi jika jumlah oksigen tidak mencukupi menghasilkan karbonmonoksida atau karbon CnH2n+2 + (n+0.5)O2 → (n+1)H2O + nCO + energi CnH2n+2 + (0.5n+0.5)O2 → (n+1)H2O + nC + energi Energi yang dihasilkan meningkat sebesar 650 kJ/mol untuk setiap pertambahan CH2 dalam rantai karbon dan energi yang dihasilkan dari rantai karbon bercabang lebih rendah daripada rantai lurus untuk jumlah atom karbon yang sama. 3. Alkana dapat bereaksi dengan halogen (F2, Cl2, Br2, I2 ) menghasilkan alkil halida.
Reaksi
dari
alkana
dengan
unsur-unsur
halogen
disebut
reaksi halogenasi. Reaksi ini akan menghasilkan senyawa alkil halida, dimana atom hidrogen dari alkana akan disubstitusi oleh halogen sehingga reaksi ini bisa disebut reaksi substitusi. Halogenasi biasanya menggunakan klor dan brom sehingga disebut juga klorinasi dan brominasi. Halogen lain seperti fluor bereaksi secara eksplosif sedangkan iodium tak cukup reaktif untuk dapat bereaksi dengan alkana. Laju pergantian atom H sebagai berikut H3 > H2 > H1. Kereaktifan halogen dalam mensubtitusi H yakni fluorin > klorin > brom > iodin.
4. Nitrasi Alkana dapat bereaksi dengan asam nitrat pada suhu 150-4750C membentuk nitroalkana dengan hasil samping uap air. CH4 +
HO
NO2
H3C
NO2
+
H 2O
5. Sulfonasi Alkana
dapat
bereaksi
dengan
asam
sulfat
berasap (oleum)
menghasilkan asam alkana sulfonat dan air. CH4 +
HO
SO3H
H3C
SO3H +
H 2O
Hal
25
Dalam reaksi di atas terjadi penggantian satu atom H dari alkana oleh gugus SO3H, selanjutnya reaksi ini dikenal dengan sulfonasi dengan laju pergantian atom H sebagai berikut H3 > H2 > H1
e. ALKENA Alkena merupakan hidrokarbon tak jenuh yang mempunyai ikatan rangkap dua C=C. Suku alkena yang paling kecil terdiri dari dua atom C, yaitu etena. Nama alkena sesuai dengan nama alkana dengan mengganti akhiran -ana menjadi -ena.
Nama
Rumus molekul
Etena
C2H4
Propena
C3H6
Butena
C4H8
Jumlah atom C
Struktur
H2C H2C H2C H2C
CH2 CH2 CH2 CH2
2
CH3 CH2 CH3 (CH2)2 CH3
3 4
Pentana C5H10 5 Dari tabel di atas rumus molekul untuk alkena jumlah atom H selalu dua kali jumlah atom C, sehingga secara umum dapat dirumuskan CnH2n
1) ISOMER ALKENA Terdapat 3 jenis Isomer pada Alkena, yaitu: a. Isomer Kerangka Isomer kerangka pada alkena disebabkan oleh rumus molekul sama kerangka karbon yang berbeda. Selain itu, isomer kerangka pada alkena harus memiliki nomer ikatan rangkap yang sama. H2C
CH
CH2
CH2
CH3
H2C
CH
CH
CH3
CH3
1-pentena
3-metil-1-butena
b. Isomer Posisi Isomer posisi pada alkena disebabkan oleh perbedaan posisi ikatan rangkap pada rantai karbon.
Hal
26
H2C
CH
CH2
CH2
H2C
CH3
CH
1-pentena
CH
CH2
CH3
2-pentena
c. Isomer Geometris Isomer geometris pada alkena adalah kelompok senyawa isomer yang disebabkan oleh perbedaan letak geometris dari gugus yang terikat pada atom C berikatan rangkap H3C
H
CH3 C
CH3
C
C
H
H
C
H3C
cis-2-butena
H
trans-2-butena
2) TATA NAMA ALKENA Aturan tata nama alkena Tatanama
sistematik menurut
IUPAC
untuk
alkena mencakup
sesuatu
perpanjangan dari aturan yang diterapkan untuk alkana. 1. Sebagai senyawaan induk diambil rantai atom karbon terpanjang yang mengandung ikatan rangkap 2. Akhiran -ana
dari
nama
hidrokarbon
alkana
padanannya digantikan
dengan akhiran -ena 3. Posisi ikatan rangkap dinyatakan oleh nomor rendah dari atom karbon, dimana ikatan itu terletak. Nomor yang menyatakan posisi ini diletakkan di depan nama senyawaan induknya. Gugus alkil yang terletak ke senyawaan induk tandai seperti yang dilakukan pada hidrokarbon alkana
4. Jika suatu isomer geometrik akan ditandai, nama itu dimulai dengan cis atau trans Contoh
H3 C
CH2
CH2
HC
CH
CH3
2-heksena bukan 4-heksena
Hal
27
H3C
CH
HC
CH
4-metil-2-butena bukan 2-metil-3-butena
CH3
CH3 CH3 H2C
C
CH2
C
CH2
CH3
CH3
2-etil-4,4 dimetil-1-pentena bukan 2,2-dimetil-4-etil-1-pentena
CH3
3) SIFAT-SIFAT ALKENA a) Sifat fisika Beberapa sifat fisika alkena dapat di lihat dalam tabel 4 berikut Tabel 4. Sifat fisika alkana Nama alkena Etena
Rumus molekul C2H4
28
Titik leleh (oC) -169
Titik didih (oC) -104
Kerapatan (g/Cm3) 0,568
Wujud (250C) Gas
Propena
C3H6
42
-185
-48
0,614
Gas
1-Butena
C4H8
56
-185
-6
0,630
Gas
1-Pentena
C5H10
70
-165
30
0,643
Cair
1-Heksena
C6H12
84
-140
63
0,675
Cair
1-Heptena
C7H14
98
-120
94
0,698
Cair
1-Oktena
C8H16
112
-102
122
0,716
Cair
1-Nonena
C9H18
126
-81
147
0,731
Cair
1-Dekena
C10H20
140
-66
171
0,743
Cair
Mr
Dari tabel 4 dapat diketahui bahwa 1. Pada suhu kamar, tiga suku yang pertama adalah gas, suku-suku berikutnya adalah cair dan suku-suku tinggi berbentuk padat. Jika cairan alkena dicampur dengan air maka kedua cairan itu akan membentuk lapisan yang saling tidak bercampur. Karena kerapatan cairan alkena lebih kecil dari 1 maka cairan alkena berada di atas lapisan air.
Hal
28
2. Titik didih dan titik leleh alkena seperti pada alkana meningkat dengan bertambahnya berat atom 3. Kadar karbon alkena lebih tinggi daripada alkana yang jumlah atom karbonnya sama.
b) Sifat kimia Sifat khas dari alkena adalah terdapatnya ikatan rangkap dua antara dua buah atom karbon. Ikatan rangkap dua ini merupakan gugus fungsional dari alkena sehingga berdampak pada reaksi-reaksi yang khusus bagi alkena, yaitu adisi, polimerisasi dan pembakaran
1. Adisi alkena Adisi adalah pengubahan ikatan rangkap (tak jenuh) menjadi ikatan tunggal (jenuh) dengan cara menangkap atom/gugus lain. Pada adisi alkena 2 atom/gugus atom ditambahkan pada ikatan rangkap C=C sehingga diperoleh ikatan tunggal C-C. H
H
C
C
H
H
+
Cl2
Cl
H
H
C
C
H
H
Cl
2. Reaksi alkena dengan hidrogen halida (hidrohalogenasi) Hasil reaksi antara alkena dengan hidrogen halida dipengaruhi oleh struktur alkena, apakah alkena simetris atau alkena asimetris. Hasil utama reaksi dapat diramalkan menggunakan aturan Markonikov, yaitu: Jika suatu HX bereaksi dengan ikatan rangkap asimetris, maka produk utama reaksi adalah molekul dengan atom H yang ditambahkan ke atom C dalam ikatan rangkap yang terikat dengan lebih banyak atom H. H
H
C
C
CH3
H
+
HCl
Cl
H
H
C
C
CH3
H
H
3. Polimerisasi alkena
Hal
29
Polimerisasi adalah penggabungan molekul-molekul sejenis menjadi molekul-molekul raksasa sehingga rantai karbon sangat panjang. Molekul yang bergabung disebut monomer, sedangkan molekul raksasa yang terbentuk disebut polimer. H
Cl
H
Cl
H
Cl
H
Cl
C
C
+ nC
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
4. Pembakaran alkena Pembakaran alkena (reaksi alkena dengan oksigen) akan menghasilkan CO2 dan H2O serta energi H2C
CH
CH2
CH3
+
O2
CO2
+
H2O
energi
+
f. ALKUNA Alkuna merupakan hidrokarbon tak jenuh yang mempunyai ikatan rangkap tiga. Suku alkana yang paling kecil terdiri dari dua atom C, yaitu etuna. Nama alkuna sesuai dengan nama alkana dengan mengganti akhiran - ana menjadi una Nama
Rumus molekul
Jumlah atom C
Struktur
Etena
C2H4
HC
CH
2
Propena
C3H6
HC
C
CH3
Butena
C4H8
HC
C
CH2
Pentana
C5H10
HC
C
(CH2)2
3
CH3
4
CH3
5
Dari tabel di atas rumus umum molekul alkuna dapat dirumuskan CnH2n-2
1) ISOMER ALKUNA Terdapat 2 jenis Isomer pada Alkuna, yaitu: a. Isomer Kerangka
Hal
30
Isomer kerangka pada alkuna disebabkan oleh rumus molekul sama kerangka karbon yang berbeda. Selain itu, isomer kerangka pada alkuna harus memiliki nomer ikatan rangkap yang sama. HC
C
CH2
CH2
CH3
HC
C
CH
CH3
CH3
1-pentuna
3-metil-1-butuna
b. Isomer Posisi Isomer posisi pada alkuna disebabkan oleh perbedaan posisi ikatan rangkap pada rantai karbon.
HC
C
CH2
CH2
H3C
CH3
C
1-pentuna
C
CH2
CH3
2-pentuna
2) TATA NAMA ALKUNA Aturan tata nama alkuna Tatanama
sistematik menurut
IUPAC
untuk
alkuna mencakup
sesuatu
perpanjangan dari aturan yang diterapkan untuk alkana. 1. Sebagai senyawaan induk diambil rantai atom karbon terpanjang yang mengandung ikatan rangkap tiga. 2. Akhiran -ana
dari
nama
hidrokarbon
alkana
padanannya digantikan
dengan akhiran -una 3. Posisi ikatan rangkap tiga dinyatakan oleh nomor rendah dari atom karbon, dimana ikatan itu terletak. Nomor yang menyatakan posisi ini diletakkan di depan nama senyawaan induknya. Gugus alkil yang terletak ke senyawaan induk tandai seperti yang dilakukan pada hidrokarbon alkana
Contoh
H3C
CH2
CH2
C
C
CH3
2-heksuna bukan 4-heksuna
Hal
31
H C
H3C
C
C
CH3
4-metil-2-butuna bukan 2-metil-3-butuna
CH3 CH3 HC
C
CH2
C
CH2
CH3
CH3
2-etil-4,4 dimetil-1-pentuna bukan 2,2-dimetil-4-etil-1-pentuna
CH3
3) SIFAT-SIFAT ALKUNA a) Sifat fisika Beberapa sifat fisika alkuna, yaitu titik didih mirip dengan alkana dan alkena. Semakin tinggi suku alkena, titik didih semakin besar. Kadar karbon alkuna lebih tinggi daripada alkena dan alkana yang jumlah atom karbonnya sama. Pada suhu kamar, tiga suku pertama berwujud gas, suku berikutnya berwujud cair sedangkan pada suku yang tinggi berwujud padat dapat di lihat dalam tabel 4 berikut Tabel 4. Sifat fisika alkuna Nama alkuna Etuna
Rumus molekul C2H2
26
Titik leleh (oC) -81
Titik didih (oC) -85
Kerapatan (g/Cm3) -
Wujud (250C) Gas
Propuna
C3H4
40
-103
-23
-
Gas
1-Butuna
C4H6
54
-126
8
-
Gas
1-Pentuna
C5H8
68
-90
40
0,690
Cair
1-Heksuna
C6H10
82
-132
71
0,716
Cair
1-Hepuna
C7H12
96
-81
100
0,733
Cair
1-Oktuna
C8H14
110
-79
126
0,740
Cair
1-Nonusa
C9H16
124
-50
151
0,766
Cair
1-Dekuna
C10H18
138
-44
174
0,765
Cair
Mr
b) Sifat kimia Sifat khas dari alkuna adalah terdapatnya ikatan rangkap tiga antara dua buah
Hal
32
atom karbon. Ikatan rangkap tiga ini merupakan gugus fungsional dari alkuna sehingga berdampak pada reaksi-reaksi yang khusus bagi alkuna, yaitu adisi, polimerisasi dan pembakaran 1. Adisi alkuna dengan halogen H
H
C
C
H
H
+
Cl2
Cl
H
H
C
C
H
H
H
H
C
C
H
H
Cl
Selanjutnya, H
H
C
C
H
H
+
Cl2
Cl
Cl
2. Reaksi alkuna dengan hidrogen halida (hidrohalogenasi) Hasil reaksi antara alkuna dengan hidrogen halida dipengaruhi oleh struktur alkuna, apakah alkuna simetris atau alkuna asimetris. Hasil utama reaksi dapat diramalkan menggunakan aturan Markonikov, yaitu: Jika suatu HX bereaksi dengan ikatan rangkap asimetris, maka produk utama reaksi adalah molekul dengan atom H yang ditambahkan ke atom C dalam ikatan rangkap yang terikat dengan lebih banyak atom H. H
H
C
C
CH3
H
+
HCl
Cl
H
H
C
C
CH3
H
H
3. Polimerisasi alkuna Polimerisasi
adalah
penggabungan
molekul-molekul
sejenis
menjadi
molekul-molekul raksasa sehingga rantai karbon sangat panjang. Molekul yang bergabung disebut monomer, sedangkan molekul raksasa yang terbentuk disebut polimer.
Hal
33
H
Cl
H
Cl
H
Cl
H
Cl
C
C
+ nC
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
4. Pembakaran alkuna Pembakaran alkuna (reaksi alkena dengan oksigen) akan menghasilkan CO2 dan H2O serta energi HC
C
CH2
CH3
+
O2
CO2
+
H2O
+
energi
D. Tugas 1. Beri nama senyawa berikut ini a.
Hal
34
CH3 H3C
CH
CH
CH3
CH2
CH2
C
CH2
CH3
CH3
CH3
b. H3C
C
C
CH3
CH2
CH
CH2
CH2
CH
CH3
CH3
CH3
CH2
CH3
c. HC
C
CH
C
C
CH3
CH2 CH3
2. Tuliskan struktur dari a. 2,2-dimetil-4-propiloktana b. 2,3-dimetil-2-heksena c. 3-etil-2-heptena 3. Selesaikan reaksi berikut a. C4H8 + Cl2 b. H3C
H2C
HC
CH2
+
Br2
c.
H3C
H2C
HC
CH2
+
HBr
d.
H3 C
H2 C
C
CH
+
HBr
Hal
35
E. Rangkuman 1. Senyawa hidrokarbon adalah senyawa karbon yang hanya tersusun dari atom hidrogen dan atom karbon. 2. Berdasarkan susunan atom karbon dalam molekulnya, senyawa karbon terbagi dalam
2 golongan besar, yaitu senyawa alifatik dan senyawa
aromatik. 3. Senyawa hidrokarbon alifatik adalah senyawa hidrokarbon yang memiliki rantai karbon dengan atom-atom karbon dapat saling mengikat dalam bentuk rantai lurus bercabang maupun bercabang atau cincin non aromatik (alisiklik) dengan ikatan kovalen tunggal, rangkap dan rangkap tiga. 4. Senyawa hidrokarbon aromatik adalah senyawa hidrokarbon yang terdiri dari 6 atom karbon dengan ikatan tunggal dan atau ikatan ganda di antara atom-atom karbonnya yang membentuk rantai benzena. 5. Alkana merupakan senyawa hidrokarbon alifatik jenuh yang seluruh ikatannya tunggal. 6. Alkena merupakan senyawa hidrokarbon alifatik tak jenuh yang mempunyai ikatan rangkap dua. 7. Alkuna merupakan senyawa hidrokarbon alifatik tak jenuh yang mempunyai ikatan rangkap tiga. 8. Keisomeran adalah dua senyawa atau lebih yang mempunyai rumus molekul sama dengan struktur yang berbeda.
Hal
36
F. Umpan Balik Bandingkanlah hasil jawaban anda dengan kunci jawaban yang ada di bagian belakang modul ini. Hitunglah jumlah jawaban anda yang benar , gunakan rumus di bawah ini untuk mengetahui tingkat penguasaan anda terhadap materi kegiatan belajar 1. Rumus : Jumlah jawaban anda Tingkat penguasaan =
x
100%
15 Arti :Tingkat penguasaan 90 % s / d 100%
= baik sekali
80 % s / d 89 %
= Baik
70% s / d 79 %
= sedang
69 %
= kurang
Jika tingkat penguasaan anda mencapai 80 % ke atas berarti anda dapat meneruskan ke kegitan belajar selanjutnya . Tetapi bila tingkat penguasaan anda masih dibawah 80 % , anda harus mengulang kegiatan belajar ini , terutama bagian yang belum anda kuasai.
Hal
37
KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 : A. Tujuan Setelah menelaah kegiatan pembelajaran 2 ini, pembaca diharapkan dapat; 1.
Menjelaskan pengertian asam dan basa menurut Arrhenius, BronstedLowry, dan Lewis
2.
Menuliskan persamaan reaksi asam dan basa menurut Bronsted dan Lowry dan menunjukkan pasangan asam dan basa konjugasinya
3.
Mengidentifikasi sifat larutan asam dan basa dengan berbagai Indikator.
4.
Memperkirakan pH suatu larutan elektrolit yang tidak dikenal berdasarkan hasil pengamatan trayek perubahan warna berbagai Indikator asam dan basa.
5.
Menjelaskan
pengertian
kekuatan
asam
dan
menyimpulkan
hasil
pengukuran pH dari beberapa larutan asam dan larutan basa yang konsentrasinya sama 6.
Menghubungkan kekuatan asam atau basa dengan derajad ionisasi () dan tetapan asam lemah (Ka) atau tetapan basa lemah (Kb)
7.
Menghitung pH larutan asam atau basa yang diketahui konsentrasinya.
8.
Menjelaskan penggunaan konsep pH dalam lingkungan sekitar.
9.
Menentukan konsentrasi asam atau basa dengan titrasi
10.
Menentukan kadar zat melalui titrasi.
11.
Menentukan Indikator yang tepat digunakan untuk titrasi asam dan basa
12.
Menentukan kadar zat dari data hasil titrasi
13.
Membuat grafik titrasi dari data hasil percobaan.
14.
Memahami fungsi larutan penyangga
15.
Memahami perhitungan pH dalam larutan penyangga
16.
Mendeskripsikan jenis-jenis garam sebagai garam bersifat asam, garam bersifat basa atau garam bersifat netral
17.
Memahami perhitungan pH dalam larutan garam
Hal
38
B. Indikator 1. Menerapkan hukum perbandingan volum dalam perhitungan kimia 2. Menggunakan representasi simbolik dalam mendeskripsikan teori asam basa 3. Menentukan kedalaman dan keluasan materi kimia untuk SMK 4. Menerapkan hasil penentuan kedalaman dan keluasan materi kimia dalam pembelajaran 5. Inovasi yang kreatif dalam penerapan disiplin ilmu alam lain dalam pelajaran kimia 6. Terampil menggunakan alat ukur, alat peraga, alat hitung, dan piranti lunak komputer untuk meningkatkan pembelajaran kimia 7. Menjelaskan cara penggunaan alat ukur kimia dengan baik 8. Merancang percobaan kimia untuk keperluan pembelajaran atau penelitian kimia 9. Melaksanakan percobaan kimia dengan cara yang benar
Hal
39
C. Uraian Materi
Bahan Bakar a. Pengertian bahan bakar Bahan bakar adalah suatu materi apapun yang bisa diubah menjadi energi. Biasanya bahan bakar mengandung energi panas yang dapat dilepaskan dan dimanipulasi. Penggunaan bahan bakar untuk keperluan rumah tangga adalah salah satu contoh energi panas yang langsung dilepaskan, sedangkan energi panas diubah menjadi energi mekanik pada motor bakar adalah satu energ panas yang dimanipulasi. Kebanyakan bahan bakar digunakan manusia melalui proses pembakaran (reaksi redoks) di mana bahan bakar tersebut akan melepaskan panas setelah direaksikan dengan oksigen di udara. Proses lain untuk melepaskan energi dari bahan bakar adalah melalui reaksi eksotermal dan reaksi nuklir (seperti fisi nuklir atau fusi nuklir). Hidrokarbon (termasuk di dalamnya bensin dan solar) sejauh ini merupakan jenis bahan bakar yang paling sering digunakan manusia. Berdasarkan bentuk dan wujudnya bahan bakar dibedakan menjadi bahan bakar padat, cair dan gas. Bahan bakar padat merupakan bahan bakar berbentuk padat, dan kebanyakan menjadi sumber energi panas. Misalnya kayu dan batubara. Energi panas yang dihasilkan bisa digunakan untuk memanaskan air menjadi uap untuk menggerakkan peralatan dan menyediakan energi. Bahan bakar cair adalah bahan bakar yang strukturnya tidak rapat, jika dibandingkan dengan bahan bakar padat molekulnya dapat bergerak bebas. Bensin/gasolin/premium, minyak solar, minyak tanah adalah contoh bahan bakar cair. Bahan bakar cair yang biasa dipakai dalam industri, transportasi maupun rumah tangga adalah fraksi minyak bumi.
Sedangkan
bahan bakar gas adalah semua jenis bahan bakar yang berbentuk gas, umumnya bahan bakar gas ini termasuk golongan bahan bakar fosil seperti gas bumi, gas tanur kokas, gas pruduser dan gas air. Berdasarkan materinya bahan bakar dibedakan menjadi bahan bakar tidak berkelanjutan dan bahan bakar berkelanjutan.
Bahan bakar tidak berkelanjutan yakni bahan bakar yang
bersumber pada materi yang diambil dari alam dan bersifat konsumtif, sehingga hanya bisa sekali dipergunakan dan bisa habis keberadaannya di alam, misalnya bahan bakar berbasis karbon seperti produk-produk olahan minyak bumi,
Hal
40
sedangkan bahan bakar berkelanjutan bersumber pada materi yang masih bisa digunakan lagi dan tidak akan habis keberadaannya di alam, misalnya tenaga matahari.
b. Bahan bakar padat Untuk menentukan kualitas bahan bakar umumnya dilakukan melalui 2 metode pengujian, yaitu pengujian proximat dan pengujian nilai kalor. a) Pengujian Proximat Pengujian proksimat merupakan pengujian yang meliputi pengujian kadar air (moisture content), kadar asap (volatile matter), kadar abu (ash content) dan kadar Fixed Carbon (karbon terikat).. 1)
Kadar Air
Arang dapat menyerap 16 % air tergantung dari jenis larutannya. Sifat higroskopis menurun dengan meningkatnya suhu karbonisasi. Kadar kering udara arang berkisar antara 5 - 7 %. Kadar air dipengaruhi oleh proses karbonisasi, yaitu jumlah udara, suhu maupun lamanya pengarangan dan tidak dipengaruhi oleh berat jenis bahan baku. Penentuan kadar air adalah dengan cara dikeringkan dalam oven pada suhu 105 -110 oC selama lebih kurang 2 jam.
100%
Dengan BB= berat basah BK= berat kering
2)
Kadar Abu
Kadar abu adalah persentasi abu (residu) yang terjadi dari pembakaran sempurna arang. Kadar abu dipengaruhi proses karbonisasi terutama suhu maksimum dan lamanya pengarangan. Kadar abu bervariasi antara 1 - 4 % tetapi pada arang dari kulit kayu dapat lebih dari 4 %. Kadar abu ditentukan dengan cara menimbang residu (sisa) pembakaran sempurna, kemudian dipanaskan hingga mencapai suhu 750 o C selama 2 jam.
Hal
41
3)
100%
Kadar asap
Kadar asap disebut juga kadar zat mudah menguap (volatile matter), yaitu persen zat yang terbuang dalam bentuk gas pada saat pembakaran arang. Asap atau juga dikenal sebagai zat terbang terdiri dari gas – gas mudah terbakar seperti H2, CO, metan dan uap – uap yang mengembun seperti tar, juga gas CO2 dan H2O. Penentuan kadar asap atau zat terbang adalah dengan cara dipanaskan dalam tanur listrik pada suhu 950 derajat celcius selama 5 menit kemudian didinginkan dalam eksikator.
100 %
Dengan, M = berat sampel N = berat sampel setelah dipanaskan 4)
Kadar Fixed Carbon (karbon terikat) Kadar fixed carbon yang tinggi
diperoleh pada proses karbonisasi yang lambat dengan suhu yang tinggi. Kadar Fixed Carbon ditentukan dengan persamaan berikut:
100%
Pengujian nilai kalor Nilai kalor (heating value) suatu bahan bakar arang diperoleh dengan menggunakan bomb calorimeter. Nilai kalor yang diperoleh melalui bomb calorimeter adalah nilai kalor atas atau highest heating value (HHV) dan nilai kalor
bawah
atau
lowest
heating
value
(LHV).
Heating
value
yang
memperhitungkan terlepasnya kembali panas laten uap air , biasa dikenal sebagai Higher Heating Value. Sedangkan Lower Heating Value tidak memasukkan energi panas laten yang dilepaskan oleh terkondensasinya uap air tersebut ke dalam nilai heating value. Dengan kata lain, HHV mengasumsikan bahwa uap air hasil proses pembakaran akan terkondensasi dan melepaskan panas latennya di akhir proses, sedangkan LHV mengasumsikan bahwa uap air akan tetap sebagai uap air hingga akhir proses pembakaran. Dari pengujian
Hal
42
bomb calorimeter dapat dihitung panas yang diserap air dalam bomb calorimeter dan energi setara bomb calorimeter serta LHV dan HHV. Panas yang diserap air dalam bomb calorimeter dihitung dengan menggunakan persamaan
∆
Dengan, Q = kalor yang diserap (Kj) m = massa air dalam bomb calorimeter (Kg) Cp = kalor jenis air 4,186 Kj/kg 0C ∆ = perubahan suhu (0C) LHV dihitung dengan menggunakan rumus berikut:
HHV dihitung dengan menggunakan persamaan ∆
Dengan, TKp = Kenaikan temperature akibat kawat penyala Cv
= Panas jenis bom kalorimeter
HHV dan LHV akan memiliki selisih nilai, selisih tersebut bergantung pada komposisi kimia dari bahan bakar. Pada karbon ataupun karbon monoksida murni nilai HHV dan LHV memiliki nilai yang hampir sama persis. Hal ini disebabkan karena karbon dan karbon monoksida murni tidak mengandung atom hidrogen pada molekulnya, sehingga -secara teoritis- tidak akan terbentuk molekul air di akhir proses pembakaran. Sebaliknya pada bahan bakar hidrogen, yang pasti akan terbentuk molekul air di akhir proses pembakarannya, nilai HHV hidrogen lebih besar 18,2% dari nilai LHV-nya. Nilai HHV tersebut termasuk juga mengukur panas sensibel uap air pada temperatur 150°C hingga 100°C, panas laten air pada temperatur 100°C, serta panas sensibel air dari temperatur 100°C hingga 25°C. Berdasarkan sumbernya bahan bakar padat dibedakan sebagai berikut:
Hal
43
1) Bahan bakar kayu Kayu tersusun dari unsur kimia organik tertentu. Secara umum, bahan kayu disusun oleh unsur karbon (C) sebesar 50%, oksigen (O ) sebesar 44% , hidrogen (H) sebesar 6% dan terkadang disusun oleh sedikit nitrogen. Komponen kimia kayu yang terpenting antara lain selulosa, hemiselulosa, karbohidrat lain, lignin, zat ekstraktif, kadar abu dan mineral. Selulosa adalah polisakarida linier yang dibentuk dari unit anhidroglukosa yang berhubungan satu sama lain dengan ikatan 1-4 beta glukosidik dan mempunyai struktur yang rapi. Selulosa berfungsi sebagai kerangka dan memberikan kekuatan pada batang atau kayu. Karbohidrat lain yang terdiri dari atas tepung dan pektin (zat warna). Tepung dibagi menjadi dua yaitu amilosa (rantai lurus) dan amilopektin
(rantai
bercabang) yang disusun rantai glukosa yang terikat dengan ikatan 1,6-glikosidik, sama dengan amilosa. Namun, pada amilopektin terbentuk cabang-cabang dengan ikatan 1,4-glikosidik, sedangkan pektin disusun oleh molekul pentosa dan asam uronik. Lignin merupakan suatu zat dengan struktur polimer yang rumit. Molekul penyusun lignin adalah fenil propana. Fenil propana membentuk tiga molekul yaitu koniferil, sinapin dan para kumar aldehida. Zat ekstraktif terdiri atas sejumlah besar senyawa organik. Zat ekstraktif dapat dikeluarkan melalui proses ekstraksi dengan pelarut organik dan air. Sebagai contoh beberapa zat ekstraktif adalah damar, terpentin, kofal, gondorukem, dan tanin. Zat ekstraktif juga sangat bervariasi tergantung jenis kayu (faktor genetik) dan faktor luar seperti tempat tumbuh, iklim dan lain-lain. Abu terdiri dari komponen dan unsur anorganik seperti karbonat, silikat, natrium, mangan dan lain-lain dalam jumlah yang relatif kecil. Kayu bakar adalah segala jenis bahan kayu yang dikumpulkan untuk digunakan sebagai bahan bakar. Umumnya kayu bakar merupakan bahan yang tidak diproses selain pengeringan dan pemotongan, dan masih terlihat jelas bagian-bagian kayu seperti kulit kayu, mata kayu dan pith (hati kayu). Penggunaan kayu sebagai bahan bakar memberikan keuntungan yang lebih bila dibandingkan
dengan
bahan
bakar
fosil.
Keuntungan-keuntungan
tersebut antara lain, (1) Ketersediaannya melimpah dan merupakan sumber daya
yang
terbarukan (renewable resources), (2) Karbondioksida yang
dihasilkan dari proses pembakaran 90% lebih sedikit daripada pembakaran dengan fosilfuel dan (3) Mengandung lebih sedikit sulfur dan logam berat. Nilai kalor atau nilai panas adalah ukuran kualitas bahan bakar dan biasanya
Hal
44
dinyatakan HHV dan LHV untuk kayu bakar memiliki rata-rata nilai HHV sebesar 24.2 MJ/Kg dan rata-rata LHV sebesar 17 MJ/Kg
Nilai kalor pada beberapa
spesies pohon disajikan pada tabel berikut.
Tabel 1. Nilai HHV pada beberapa spesies pohon No. 1 2 3 4 5 6 7 8 7 8 9 10
Jenis spesies Jati (Tectona grandis) Akasia (Acacia spp.) Trembesi (Samanea saman) Sono (Dalbergia spp.) Landep (Barleria prionitis L.) Mahoni (Swietenia mahagoni) Melinjo (Gnetum gnemon) Manding Kesambi (Schleichera oleosa Merr) Rembalo Tempurung kelapa (batok) Sengon (Paraserianthes falcataria)
Nilai kalor HHV MJ/Kg 31.51 31.08 30.66 30.66 30.03 29.35 28.26 27.87 27.76 27.41 26.29 24.99
Dari data di atas jenis kayu memilki nilai kalor yang berbeda hal ini dikarenakan setiap kayu memilki komposisi kimia, berat jenis, kadar air, kadar lignin, dan kadar ekstraktif yang berbeda. Sebagai contoh pada komposisi kimia kayu, nilai kadar holoselulosa sebesar 7.567 BTU/lb (17.600 J/kg), nilai kadar lignin sebesar 11.479 BTU/lb (26.700 J/kg) dan nilai kadar ekstraktif sebesar 11.500 BTU/lb (26.749 J/kg). Dengan demikian jenis kayu yang mengandung lignin dan ekstraktif tinggi akan mempunyai HHV yang tinggi
2) Arang Arang merupakan salah satu sumber energi penting di beberapa negara berkembang. Selain itu, arang juga memiliki fungsi yang efektif untuk fiksasi dan inaktivasi karbon di atmosfer serta konservasi lingkungan. Arang adalah suatu bahan padat yang berpori dan merupakan hasil pembakaran yang mengandung unsur C (karbon). Sebagian pori-porinya masih tertutup dengan hidrokarbon, dan senyawa organik lain yang komponennya terdiri dari fixed carbon, abu, air, nitrogen dan sulfur. Karbonisasi merupakan proses konversi dari suatu zat
Hal
45
organik ke dalam karbon atau suatu residum yang mengandungm karbon. Dalam suatu proses pembuatan arang yang berkarbon, karbonisasi dilakukan dengan membakar kayu untuk menghilangkan kandungan air atau moisture content dan material-material lain dalam kayu yang dibutuhkan oleh arang seperti hidrogen dan oksigen Proses karbonisasi atau pengarangan terdiri dari empat tahap yaitu: 1. Pada suhu 100-1200C terjadi penguapan air dan sampai suhu 2700 C mulai terjadi peruraian selulosa. Destilat mengandung asam organik dan sedikit metanol. Asam cuka terbentuk pada suhu 200-2700 C. 2. Pada suhu 270-3100C reaksi eksotermik berlangsung dimana terjadi peruraian selulosa secara intensif menjadi larutan piroglinat, gas kayu dan sedikit ter. Asam piriglinat merupakan asam organik dengan titik tindih rendah seperti asam cuka dan metanol sedang gas kayu terdiri dari CO dan CO2. 3. Pada suhu 310-5000C, terjadi peruraian lignin, dihasilkan lebih banyak ter sedangkan larutan piroglinat menurun. Gas CO2 menurun sedangkan gas CH4, CO, dan H2 meningkat. 4. Pada suhu 500-10000C merupakan tahap pemurnian arang atau peningkatan kadar karbon. Kualitas arang dibandingkan kayu dapat ditentukan melalui hasil uji berkut
Nilai Kalor
Nilai
kalor
bahan
bakar
adalah
jumlah panas
yang
dihasilkan
atau
ditimbulkan oleh suatu gram bahan bakar tersebut dengan meningkatkan temperatur 1 gr air dari 3,5 0C – 4,50 oC, dengan satuan kalori. Dengan kata lain nilai kalor adalah besarnya panas yang diperoleh dari pembakaran suatu jumlah tertentu bahan bakar. Semakin tinggi berat jenis bahan bakar, maka
semakin
digunakan untuk
tinggi
nilai kalor
mengukur
yang
diperolehnya.
kalor disebut
Adapun
kalorimeter
alat yang
bom
(Bomb
Calorimeter).
Kadar Air
Kandungan
air
yang
tinggi menyulitkan
penyalaan
dan
mengurangi
temperatur pembakaran. Moisture dalam bahan bakar padat terdapat dalam dua bentuk, yaitu sebagai air bebas (free water) yang mengisi rongga poripori di dalam bahan bakar dan sebagai air terikat (bound water) yang terserap
Hal
46
di permukaan
ruang
dalam
struktur
bahan bakar. Kadar
air
sangat
menentukan kualitas arang yang dihasilkan. Arang dengan kadar air rendah akan memiliki nilai kalor tinggi. Makin tinggi kadar air maka akan makin banyak kalor yang dibutuhkan untuk mengeluarkan air dari dalam kayu agar menjadi uap sehingga energi yang tersisa dalam arang akan menjadi lebih kecil.
Kadar abu
Abu sebagai bahan yang tersisa apabila arang dipanaskan sampai berat yang konstan. Kadar abu ini sebanding dengan berat kandungan bahan anorganik di dalam arang. Abu juga didefinisikan sebagai jumlah sisa setelah bahan
organik dibakar,
yang
komponen
utamanya berupa
zat
mineral,
kalsium, kalium magnesium dan silika. Abu yang terkandung dalam arang adalah
mineral
pembakaran atau
yang
tak
dapat
reaksi-reaksi
terbakar dan tertinggal setelah proses
yang
menyertainya selesai.
Abu berperan
menurunkan mutu bahan bakar karena menurunkan nilai kalor
Kadar zat mudah menguap (Volatile matter)
Zat mudah menguap dalam arang adalah senyawa-senyawa selain air, abu dan karbon. Zat menguap terdiri
dari
unsur
hidrogen,
hidrokarbon,
karbondioksida, metana dan karbon monoksida. Adanya unsur hidrokarbon (alifatik dan aromatik) akan menyebabkan makin tinggi kadar zat yang mudah menguap sehingga arang
akan
menjadi
mudah
terbakar karena
senyawa alifatik dan aromatik ini mudah terbakar. Kadar zat mudah menguap juga menyatakan sebagai kehilangan berat (selain karena hilangnya air) dari arang yang terjadi pada saaat proses pengarangan.
Kadar karbon terikat (fixed carbon)
Kadar karbon terikat adalah fraksi dalam arang selain fraksi abu, air dan zat mudah menguap. Kadar karbon terikat merupakan salah satu penentu baik tidaknya kualitas arang. Kadar karbon terikat yang tinggi menunjukkan kulitas arang yang baik dan sebaliknya
Densitas (density)
Densitas adalah perbandingan antara kerapatan arang (atas dasar berat
Hal
47
kering tanur dan volume pada kadar air yang telah ditentukan) dengan kerapatan air pada suhu 4 °C. Air memiliki kerapatan partikel 1 g/cm3 atau 1000 kg/m3 pada suhu standar tersebut. Kerapatan yang tinggi menunjukkan kekompakan partikel arang. Hasil uji proximate
dan ultimate untuk arang, batubara dan gambut (peat)
dinyatakan dalam tabel 2.
Tabel 2. Hasil uji proximate dan ultimate arang, batubara dan peat
Proximate Kadar Nama
karbon (FC)
Kadar Zat terbang (Volatile)
Ultimate Kadar Abu
C
H
O
N
S
HHV
(Ash)
%
%
%
%
%
%
%
%
kJ/g
Arang
89,31
93.88
1,02
92,04
2,45
2,96
0,53
1,00
34,39
Batubara
55,80
33.90
10.30
75,50
5.00
4.90
1.20
3.10
31,82
Peat
26,87
70,13
3,00
54,81
5,38
35,81
0.89
0,11
22.00
3) Batubara a) Pengertian Batubara adalah batuan sedimen yang secara kimia dan fisika adalah heterogen dan mengandung unsur-unsur karbon, hidrogen dan oksigen sebagai unsur utama dan belerang serta nitrogen sebagai unsur tambahan. Zat lain, yaitu senyawa organik pembentuk “ash” tersebar sebagai partikel zat mineral dan terpisah-pisah di seluruh senyawa batubara. Beberapa jenis batu meleleh dan menjadi plastis apabila dipanaskan, tetapi meninggalkan residu yang disebut kokas. Batubara dapat dibakar untuk membangkitkan uap atau dikarbonisasikan untuk membuat bahan bakar cair atau dihidrogenisasikan untuk membuat metan. Gas sintetis atau bahan bakar berupa gas dapat diproduksi sebagai produk utama dengan jalan gasifikasi sempurna dari batubara dengan oksigen dan uap atau udara dan uap
Hal
48
Gambar 24. Batubara Berdasarkan jenis material pembentuk batubara dapat dibedakan menjadi dua, yaitu Combustible Material dan Non Combustible Material. Combustible Material yaitu bahan atau material yang dapat dibakar/ dioksidasi oleh oksigen. Material tersebut umumnya terdiri dari karbon padat (Fixed Carbon), senyawa hidrokarbon, total Sulfur, senyawa Hidrogen, dan beberapa senyawa lainnya dalam jumlah kecil. Sedangkan Non Combustible Material yaitu hahan atau material yang tidak dapat dibakar/dioksidasi oleh oksigen. Material tersebut umurnnya terdiri dan senyawa anorganik (SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, Mn3O4, CaO, MgO, Na2O, K2O dan senyawa logam lainnya dalam jumlah kecil) yang akan membentuk abu dalam batubara. Kandungan non combustible material ini umumnya tidak diinginkan karena akan mengurangi nilai bakarnya. b) Proses pembentukan batubara Proses pembentukan batubara terdiri dari dua tahap yaitu tahap biokimia (penggambutan) dan tahap geokimia (pembatubaraan). Tahap penggambutan (peatification) adalah tahap dimana sisa-sisa tumbuhan yang terakumulasi tersimpan dalam kondisi bebas oksigen (anaerobik) di daerah rawa dengan sistem pengeringan yang buruk dan selalu tergenang air pada kedalaman 0,5 10 meter. Material tumbuhan yang busuk ini melepaskan unsur H, N, O, dan C dalam bentuk senyawa CO2, H2O, dan NH3 untuk menjadi humus. Selanjutnya oleh bakteri anaerobik dan fungi diubah menjadi gambut. Tahap pembatubaraan (coalification) merupakan gabungan proses biologi, kimia, dan fisika yang terjadi karena pengaruh pembebanan dari sedimen yang menutupinya, temperatur, tekanan, dan waktu terhadap komponen organik dari gambut. Pada tahap ini prosentase karbon akan meningkat, sedangkan prosentase hidrogen dan
Hal
49
oksigen akan berkurang. Proses ini akan menghasilkan batubara dalam berbagai tingkat kematangan material organiknya mulai dari lignit, sub bituminus, bituminus, semi antrasit, antrasit, hingga meta antrasit. Ada tiga faktor yang mempengaruhi proses pembetukan batubara yaitu: umur, suhu dan tekanan. Mutu endapan batubara juga ditentukan oleh suhu, tekanan serta lama waktu pembentukan, yang disebut sebagai 'maturitas organik. Pembentukan batubara dimulai sejak periode pembentukan karbon (Carboniferous Period) dikenal sebagai zaman batubara pertama yang berlangsung antara 360 juta sampai 290 juta tahun yang lalu. Proses awalnya, endapan tumbuhan berubah menjadi gambut/peat yang selanjutnya berubah menjadi batubara muda (lignite) atau disebut pula batubara coklat (brown coal). Batubara muda adalah batubara dengan jenis maturitas organik rendah. Setelah mendapat pengaruh suhu dan tekanan yang terus menerus selama jutaan tahun, maka batubara muda akan mengalami perubahan yang secara bertahap menambah maturitas organiknya dan
mengubah
batubara
muda
menjadi
batubara
sub-bituminus
(sub-
bituminous). Perubahan kimiawi dan fisika terus berlangsung hingga batubara menjadi lebih keras dan warnanya lebih hitam sehingga membentuk bituminus (bituminous) atau antrasit (anthracite). Dalam kondisi yang tepat, peningkatan maturitas organik yang semakin tinggi terus berlangsung hingga membentuk antrasit.
Dalam
proses
pembatubaraan,
maturitas
organik
sebenarnya
menggambarkan perubahan konsentrasi dari setiap unsur utama pembentuk batubara. Berikut ini ditunjukkan tahapan pembatubaraan
Hal
50
Gambar 25. Tahapan pembatubaraan Semakin tinggi peringkat batubara, maka kadar karbon akan meningkat, sedangkan
hidrogen
dan
oksigen
akan
berkurang.
Karena
tingkat
pembatubaraan secara umum dapat diasosiasikan dengan mutu batubara, maka batubara dengan tingkat pembatubaraan rendah disebut pula batubara bermutu rendah seperti lignite dan sub-bituminus biasanya lebih lembut dengan materi yang rapuh dan berwarna suram seperti tanah, memiliki tingkat kelembaban (moisture) yang tinggi dan kadar karbon yang rendah, sehingga kandungan energinya juga rendah. Semakin tinggi mutu batubara, umumnya akan semakin keras dan kompak, serta warnanya akan semakin hitam mengkilat. Selain itu, kelembabannya pun akan berkurang sedangkan kadar karbonnya akan meningkat, sehingga kandungan energinya juga semakin besar. a) Pengelompokkan batubara Berdasarkan tingkat proses pembentukannya yang dikontrol oleh tekanan, panas dan waktu, batu bara umumnya dibagi dalam lima kelas, yaitu gambut, lignit, subituminus, bituminus dan antrasit. 1) Gambut Gambut berpori dan memiliki kadar air di atas 75% serta nilai kalori yang paling rendah. Ciri-ciri lain warna coklat, material belum terkompaksi, mempunyai
Hal
51
mempunyai kandungan karbon padat yang sangat rendah, mempunyai kandungan karbon terbang sangat tinggi dan sangat mudah teroksidasi. 2) Lignit atau Batubara Coklat Lignit atau biasa dikenal dengan brown coal adalah batubara yang sangat lunak yang mengandung air 35-75% dari beratnya, material terkompaksi namun sangat rapuh, mempunyai kandungan karbon terbang tinggi dan mudah teroksidasi. Lignit merupakan batubara geologis muda yang memiliki kandungan karbon terendah
25-35%. Nilai panas yang dihasilkan berkisar antara 4.000 hingga
8.300 BTU per pon. 3) Sub-Bituminus Sub-bituminus mengandung sedikit karbon dan banyak air, oleh karenanya menjadi sumber panas yang kurang efisien dibandingkan dengan bituminus, warna hitam, material sudah terkompaksi, mempunyai kandungan air yang sedang, mempunyai kandungan karbon padat sedang, mempunyai kandungan karbon terbang sedang, sifat oksidasi menengah dengan kandungan karbon 3545% dan menghasilkan nilai panas antara 8.300 hingga 13.000 BTU per pon. Meskipun nilai panasnya rendah, batubara ini umumnya memiliki kandungan belerang yang lebih rendah daripada jenis lainnya, yang membuatnya sukai untuk dipakai karena hasil pembakarannya yang lebih bersih. 4) Bituminus Bituminus mengandung 68-86% unsur karbon (C) serta berkadar air 8-10% dari beratnya. Nilai panas yang dihasilkan antara 10.500 sampai 15.500 BTU per pon. Ciri-ciri warna hitam, material sudah terkompaksi, mempunyai kandungan air yang sedang, mempunyai kandungan karbon padat sedang, mempunyai kandungan karbon terbang sedang, sifat oksidasi menengah, nilai panas yang dihasilkan sedang 5) Antrasit Antrasit merupakan kelas batubara tertinggi dengan ciri-ciri warna hitam mengkilat, material terkompaksi dengan kuat, mempunyai kandungan air rendah kurang dari 8%, mempunyai kandungan karbon padat tinggi 86-98%, mempunyai kandungan karbon terbang rendah, relatif sulit teroksidasi, nilai panas yang dihasilkan tinggi hampir 15.000 BTU per pon.
Hal
52
Sumber https://lehoboy.wordpress.com/tag/batubara/ Gambar 26. Jenis-jenis batubara c) Parameter kualitas batubara Kualitas batubara ditinjau dari aspek Proximate Analysis meliputi 1) Total Moisture Total moisture (TM) adalah moisture yang terkandung dalam
contoh batubara
yang diterima di laboratorium, yang mana menggambarkan kandungan moisture sumber batubara yang diambil contohnya tersebut. Salah satu penetapannya adalah dengan metode two-stage determination. Dalam metode ini penetapan dilakukan dengan dua analisis yang berkaitan. Pertama dilakukan dengan analisis free moisture kemudian dilanjutkan dengan analisis residual moisture. Free moisture adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan persen jumlah air yang menguap dari contoh batubara yang dikeringkan pada kondisi ruangan (suhu dan kelembaban ruangan) yang kadang-kadang dibantu dengan hembusan kipas angin. Pengeringan dilakukan sampai mendapat berat konstan. Residual moisture adalah jumlah persen moisture yang terkandung pada contoh batubara yang sebelumnya telah dikeringkan (air dried), baik itu contoh yang telah dihaluskan sampai ukuran partikel
212/250 micron (untuk general
analysis), maupun contoh yang telah digiling sampai ukuran yang lebih kasar, seperti 0.250, 0.850, 2.36, dan 3.00 mm. Hasil analisis free moisture dan residual moisture kemudian dihitung untuk mendapatkan total moisturenya dengan persamaan %
%
%
1
% 100
Dengan, TM = total moisture RM = residual moisture FM = free moisture
Hal
53
2) Total Sulfur Di dalam batubara, sulfur bisa berupa bagian dari material carbonaceous atau bisa berupa bagian mineral seperti sulfat dan sulfida. Gas sulfur dioksida yang terbentuk selama pembakaran merupakan polutan yang serius. Kebanyakan negara memiliki peraturan mengenai emisi gas tersebut ke atmosfir. Satu persen adalah limit kandungan sulfur dalam batubara yang banyak dipakai oleh negaranegara pengguna batubara. Kandungan yang tinggi dalam coking coal tidak diinginkan karena akan berakumulasi di dalam cairan logam panas sehingga memerlukan proses desulfurisasi. Salah satu cara untuk menentukan kadar sulfur yaitu melalui pembakaran pada suhu tinggi. Batubara dioksidasi dalam tube furnace dengan suhu mencapai 1350°C. 3) Calorific Value Calorivic value adalah jumlah panas yang dihasilkan oleh pembakaran contoh batubara di laboratorium. Pembakaran dilakukan pada kondisi standar, yaitu pada volume tetap dan dalam ruangan yang berisi gas oksigen dengan tekanan 25 atm. Selama proses pembakaran yang sebenarnya pada ketel, nilai calorivic value ini tidak pernah tercapai karena beberapa komponen batubara, terutama air, menguap dan menghilang bersama-sama dengan panas penguapannya. Maksimum kalori yang dapat dicapai selama proses ini adalah nilai net calorivic value. Calorivic value dikenal juga dengan specific energy dan satuannya adalah kcal/kg atau cal/g, MJ/kg,Btu/lb. Nilai kalor batubara diukur menggunakan alat yang disebut bomb kalorimeter. 4) HGI Hardgrove grindbility index (HGI) adalah indeks yang menggambarkan tingkat kemudahgerusan batubara oleh alat penggerus (pulverizer) di lapangan, yang proses pembakaran batubaranya menggunakan partikel batubara halus (75 micron) yang biasa disebut dengan pulverized fuel (pf). Harga HGI diperoleh dengan menggunakan rumus : HGI = 13.6 + 6.93 W Dengan W adalah berat dalam gram dari batubara lembut berukuran 200 mesh.
Hal
54
Semakin tinggi nilai HGI suatu batubara semakin mudah batubara tersebut digerus. Semakin tinggi rank batubara, semakin tinggi juga nilai HGI-nya, kecuali anthracite. HGI tidak bersifat aditif, artinya apabila kita mempunyai dua jenis batubara yang nilai HGI-nya berbeda, kemudian dicampurkan dengan komposisi tertentu, nilai batubara tidak bisa dihitung berdasarkan komposisi pencampuran tersebut. Nilai HGI campuran cenderung ke arah nilai yang lebih kecil 5) Ultimate Analysis Ultimate analysis adalah analisis yang memeriksa unsur-unsur
zat organik
dalam batubara, seperti karbon, hidrogen, nitrogen, sulfur dan oksigen. Unsurunsur selain oksigen dapat dianalisis di laboratorium, sedangkan untuk oksigen sendiri bisa didapat dari perhitungan. 6) Forms of Sulphur Sulfur dalam batubara terdapat dalam tiga bentuk, yaitu pyritic sulphur, sulphate sulphur dan organic sulphur. Analisis forms of sulphur dilakukan untuk mengetahui komposisi penyusun sulfur. Organic sulphur terdapat pada seluruh material carbonaceous dalam batubara dan jumlahnya tidak dapat dikurangi dengan teknik pencucian. Sulfur dalam bentuk pyritic dan sulphate merupakan bagian dari mineral-matter yang terdapat dalam batubara yang jumlahnya kemungkinan masih dapat dikurangi dengan teknik pencucian. Persen pyritic dan sulphate sulphur didapat melalui analisis di laboratorium, sedangkan organic sulphur didapat dengan cara mengurangi % total sulphur dengan pyritic dan sulphate sulphur (S(o) = TS-S(p)-S(s)). Terdapatnya sulphate sulphur dalam suatu batubara sering dipergunakan sebagai penunjuk bahwa batubara tersebut telah teroksidasi, sedangkan pyritic sulphur dianggap sebagai salah satu penyebab timbulnya spontaneous combustion. Spontaneous combusition adalah proses terjadinya kebakaran stockpile batubara secara spontan. Sebelum dilakukan proses pencucian batubara sebaiknya dilakukan analisis forms of sulphur terlebih dahulu, untuk mengetahui %organic sulphur-nya. Apabila organic sulphur-nya > 1.00%, kita harus menyadari bahwa sebaik apapun proses pencucian batubara tersebut, produknya tetap akan mengandung total sulphur > 1.00% sehingga kita dapat menentukan apakah proses pencucian batubara efektif untuk dilakukan atau tidak. 7) Carbonate Carbondioxide
Hal
55
Penetapan carbonate carbondioxide dilakukan untuk mendapatkan angka yang dapat dipergunakan sebagai pengoreksi hasil penetapan karbon, sehingga karbon yang dilaporkan hanyalah karbon organik (organic carbon). Penetapan carbonate carbondioxide tidak perlu dilakukan pada contoh batubara derajat rendah (brown coal dan lignite), karena batubara derajat rendah atau lower rank coal bersifat asam sehingga carbonate carbon-nya akan kosong. 8) Chlorine Chlorine adalah salah satu elemen batubara yang dapat menimbulkan korosi (pengkaratan) dan masalah fouling/slagging (pengkerakkan) pada ketel uap. Kadar chlorine lebih kecil dari 0.2% dianggap rendah, sedangkan kadar chlorine lebih besar dari 0.5% dianggap tinggi. Adanya elemen chlorine selalu bersamasama dengan adanya elemen natrium. 9) Phosporus Adanya phosphorus (posfor) di dalam coking coal sangat tidak diinginkan karena dalam peleburan baja, phosphorus akan berakumulasi dan tinggal dalam baja yang dihasilkan. Baja yang mengandung phosphorus tinggi akan cepat rapuh. Phosphorus juga dapat menimbulkan masalah pada pembakaran batubara di ketel karena phosphorus dapat membentuk deposit posfat yang keras di dalam ketel. 10) Ash Analysis Ash (A) adalah residu anorganik hasil pembakaran batubara, terdiri dari oksida logam seperti Fe2O3, MgO, Na2O, K2O, dan oksida non-logam seperti SiO2 dan P2O5. Prinsip dari penetapan ini ialah sejumlah contoh batubara yang sudah dihaluskan (+1 gram) dibakar pada suhu dengan rambat pemanasan tertentu sampai didapat residu (abu). Residu yang didapat ditimbang dan dihitung jumlahnya dalam persen. Nilai kandungan ash suatu batubara selalu lebih kecil daripada nilai kandungan mineralnya. Hal ini terjadi karena selama pembakaran telah terjadi perubahan kimiawi pada batubara tersebut, seperti menguapnya air kristal, karbondioksida dan oksida sulfur. 11) Abrasion Index Abrasion index adalah indeks yang menunjukkan daya abrasi (kikis) batubara terhadap bagian dari alat yang dipergunakan untuk menggerus batubara tersebut (pulverizer) sebelum dipergunakan sebagai bahan bakar. Semakin tinggi nilai abrasive index suatu batubara semakin tinggi pula biaya pemeliharaan alat
Hal
56
penggerus batubara tersebut. Suatu batubara disebut abrasive apabila abrasive index-nya 400-600, dan disebut tidak abrasive apabila abrasive index-nya <10. Coke mempunyai abrasive index 2500 sedangkan sandstone mempunyai abrasive index 1200. Batubara yang diinginkan pembeli harus mempunyai abrasive index <200. Apabila abrasive index-nya > 200, harga batubara tersebut bisa lebih murah atau bahkan sama sekali ditolak. 12) Trace Element Analisis ini dilakukan untuk mengetahui komposisi unsur dalam batubara yang dianggap berbahaya terhadap lingkungan. Jumlahnya kecil, misalnya merkuri, arsen, selenium, fluorine dan cadmium. 13) Crucible Swelling Number Crucible swelling number (CSN) adalah salah satu tes untuk mengamati caking properties batubara, yang paling sederhana dan mudah dilakukan. Caking adalah sifat yang menggambarkan kemampuan batubara membentuk gumpalan yang mengembang selama proses pemanasan. 14) Gray King Coke Gray-King coke type adalah analisis untuk mengamati coking coal. Coking adalah sifat yang berhubungan dengan perilaku batubara selama proses carbonisation (proses pembuatan coke secara komersial) serta sifat coke yang dihasilkannya. Tes ini dilakukan pada tingkat pemanasan yang lambat yang lebih mirip dengan tingkat pemanasan pada coke oven. 15) Roga Index Roga index adalah indeks yang didapat dari salah satu tes caking yang disebut roga test. Tes ini untuk mengukur caking power. Indeks ini dipergunakan dalam klasifikasi batubara internasional sebagai alternatif dari crusible swelling number. Indeks ini dapat diperbandingkan dengan perkiraan di bawah ini. 16) Audibert Arnu Dilatometry Pada proses karbonisasi, batubara pada awalnya umumnya mengkerut, kemudian mengembang ketika volatile matter mulai menguap, dan akhirnya terbentuklah gumpalan kokas. Perubahan volume yang terjadi pada proses ini sangat penting untuk diketahui, agar penentuan jumlah batubara konsumsi coke oven dapat dilakukan dengan tepat sehingga prosesnya menjadi aman. Informasi ini pun penting diketahui dalam proses pencampuran beberapa batubara untuk
Hal
57
operasi pembuatan kokas komersial. Audibert-Arnu dilatometry adalah alat untuk mengukur perubahan volume yang terjadi pada proses karbonisasi tersebut. 17) Caking and Coking Analysis Properties Caking dan coking properties adalah sifat atau perilaku batubara pada saat dipanaskan serta sifat coke yang terbentuk dari pemanasan tersebut. Caking adalah sifat yang menggambarkan kemampuan batubara membentuk gumpalan yang mengembang selama proses pemanasan. Tes ini dilakukan pada tingkat pemanasan yang cepat. Tes untuk mengukur sifat caking ini adalah crucible swelling number (disebut juga dengan free swelling index (ASTM), dan coke button index) dan caking power yang diukur dengan roga test. Coking adalah sifat yang berhubungan dengan perilaku batubara selama proses carbonisation (proses pembuatan coke secara komersial) serta sifat coke yang dihasilkannya. Tes ini dilakukan pada tingkat pemanasan yang lambat yang lebih mirip dengan tingkat pemanasan pada coke oven. Tes untuk mengukur sifat coking ini adalah Gray-king coke type, dilatometry (Audibert-Arnu), plastometry (Gieseler). Selain untuk memperkirakan potensi batubara dalam pembuatan coke, kedua sifat ini juga penting dalam pengklasifikasian batubara. d) Kualitas Batubara dan Aspek Pemanfaatan Aspek pemanfaatan untuk setiap konsumen memiliki standar kualitas yang berbeda-beda tergantung pada kebutuhannya seperti pada beberapa tabel 6, 7, dan 8 yang mewakili beberapa konsumen mengenai parameter-parameter kualitas yang diinginkan. Kebutuhan akan kualitas batubara antara pabrik semen, pabrik kokas, pembangkit tenaga listrik dan sebagainya berbeda satu sama lain. Tabel 5. Kualitas Batubara yang Dibutuhkan Oleh Pabrik Semen Parameter Total moisture (%-ar) Free moisture (%-ar)
Yang Diinginkan 4–8 rendah
Limit Tipikal
Keterangan
max 12 (max 15) max 10 – 12
Nilai kalori net berkurang. Akan menimbulkan masalah pada penggilingan dan penanganan. Limit untuk low rank coal lebih tinggi. Pengaruh abu kecil tetapi kadarnya harus tetap (+2%). Komposisi abu harus konsisten karena diperlukan dalam pengaturan penambahan bahan baku. Tergantung sistem
Ash (%-ad)
< 15
max 20 (max 40 – 50)
Volatile matter
Beragam
(max 24)
Hal
58
Parameter
Yang Diinginkan
Limit Tipikal
(%-dmmf) Gross Calorivic Value (MJ/kg-ad)
Beragam
(min 21.0)
Total Sulphur (%-ad)
< 2%
max 2 – 5
Chlorine (%-ad)
Rendah
(max 0.1)
P2O5 Ash analysis (%) Hardgrove grindability index
< 2%
(max 6 – 8)
Tinggi
Min 50 – 55 (min 40)
Max particle size (mm)
25 – 30
35 – 40
Fines content (<0.5mm) (%)
15 – 20
25 – 30
Keterangan pembakaran tetapi biasanya fleksibel. Basis yang diinginkan konsumen bermacam-macam (gross/net, ad/ar). Tergantung dari kandungan sulfur bahan baku. Kadar sulfur clinker < 1.3% Dalam proses kering, kandungan chlorine dalam clinker < 0.03%. Tergantung dari kandungan chlorine bahan baku, maksimum dalam batubara beragam sampai 0.01%. Kandungan P2O5 dalam clinker < 1% Tergantung dari kapasitas penggerusan serta jumlah produksi yang diinginkan. Tergantung limit ukuran partikel yang dapat diterima oleh alat penggerus. Terlalu banyak yang halus akan menimbulkan masalah pada waktu penanganannya terutama kalau basah, bahkan total moisture akan lebih besar apabila terlalu banyak yang halus.
Catatan : Limit tipikal adalah limit yang pada umumnya diinginkan para konsumen, angka dalam kurung adalah angka yang menunjukkan limit pada kasus tertentu. Tabel 6. Kualitas Batubara yang Dibutuhkan Oleh Pabrik Kokas Yang Diinginkan 5 – 10
Limit Tipikal
Keterangan
max 12 (max 15)
Ash (%-ad)
Rendah
max 6 – 8 (max 10 – 12)
Volatile matter (%-dmmf)
Beragam
Total sulphur (%-ad)
Rendah
16 – 21 21 – 26 26 – 31 max 0.6 – 0.8 (max 1.0)
Akan menimbulkan masalah pada penggilingan dan penanganan. Kandungan abu kokas hendaknya rendah untuk mengurangi kerak pada blast furnace. low volatile coal medium volatile coal high volatile coal Kandungan sulfur kokas hendaknya rendah agar penyerapan sulfur oleh pig iron dalam blast furnace
Parameter Total moisture (%-ar)
Hal
59
Parameter
Yang Diinginkan
Limit Tipikal
Keterangan
Phosphorus (%-ad) Free swelling index Roga test Gray-King coke type
Rendah
max 0.1
dikurangi. Phosphorus dalam baja akan membuat baja cepat rapuh.
7–9 60 – 90 G6 – G14
min 6 min 50 min G4 – G5
Audibert-Arnu dilatometry max dilatation (%)
25 – 70 80 – 140 150 – 350
min 20 min 60 min 100
low volatile coal medium volatile coal high volatile coal
above 80 min 70 Gieseler plastometry low volatile coal above 100 min 80 Fluidity range medium volatile coal above 130 min 100 high volatile coal (oC) Data caking/coking di atas hanya sebagai penunjuk potensi batubara untuk dibuat kokas. Prediksi kinerja batubara dalam coke oven yang lebih dapat dipercaya memerlukan tes yang lebih ekstensif. Prime coking coal adalah batubara yang memenuhi deretan kualitas yang paling atas. Blend coking coal tidak harus mengikuti deretan kualitas di atas, karena juga tergantung dari batubara yang dipakai untuk pencampurnya.
Catatan:
Limit tipikal adalah limit yang pada umumnya diinginkan para
konsumen, angka dalam kurung adalah angka yang menunjukkan limit pada kasus tertentu. Tabel 7. Kualitas Batubara yang Dibutuhkan Oleh Pembangkit Tenaga Listrik Yang Diinginkan 4–8 rendah
Limit Tipikal
Keterangan
max 12 (max 15) max 10 – 12
Ash (%-ad)
Rendah
max 15 – 20 (max 30)
Volatile matter (%-dmmf)
25 – 30
min 25
Nilai kalori net berkurang. Akan menimbulkan masalah pada penggilingan dan penanganan. Limit untuk low rank coal lebih tinggi. Nilai kalori berkurang. Limit tergantung pada kemampuan alat dalam penangananan dan pembuangan abu. Side-fired p.f furnace
15 – 25 Tinggi
max 25 min 24 – 25
Total Sulphur (%-ad)
Rendah
max 0.5 – 1.0 (max 2.0)
Chlorine (%-ad)
Rendah
max 0.1 – 0.3 (max 0.5)
Parameter Total moisture (%-ar) Free moisture (%-ar)
Gross Calorivic Value (MJ/kg-ad)
Down –fired p.f furnace Basis yang diinginkan konsumen bermacam-macam (gross/net, ad/ar). Limit maksimum tergantung peraturan daerah tentang polusi. Inggris 2%, Jerman 1%, Jepang 0.5%. Sebagai penunjuk kandungan alkali. Harus rendah untuk mengurangi kecenderungan
Hal
60
Parameter
Yang Diinginkan
Limit Tipikal
Keterangan
Ash Fusion temp. (oxidizing/reducing) (oC)
Tinggi ISO A
min 1200 (min 1050)
terjadinya fouling. Dry bottom furnace. Tergantung fleksibilitas dan prosedur operasi alat.
Rendah ISO C
max 1350 (max 1430)
Nitrogen (%dmmf)
Rendah (0.8 – 1.1)
Hardgrove grindability index
Tinggi
min 50 – 55 (min 45)
Particle size max (mm)
25 – 30
35 – 40
Fines content (less than 0.5 mm) (%)
15 – 20
25 – 30
Wet bottom furnace. Tergantung suhu operasi. Kondisi tanur yang menentukan oxidicing dan reducing yang diperlukan ash fusion. Yang diinginkan rendah untuk mengurangi pembentukan Nox. Tergantung dari kapasitas penggerusan serta jumlah produksi yang diinginkan. Tergantung limit ukuran partikel yang dapat diterima oleh alat penggerus. Terlalu banyak yang halus akan menimbulkan masalah pada waktu penanganannya terutama kalau basah, bahkan total moisture akan lebih besar apabila terlalu banyak yang halus.
Sumber http://adinegoromining.blogspot.co.id
c. Bahan bakar cair Bahan bakar cair merupakan gabungan senyawa hidrokarbon yang diperoleh dari alam maupun secara buatan. Bahan bakar cair umumnya berasal dari minyak bumi. Dimasa yang akan datang, kemungkinan bahan bakar cair yang berasal dari oil shale, tar sands, batubara dan biomassa akan meningkat. Minyak bumi merupakan campuran alami hidrokarbon cair dengan sedikit belerang, nitrogen, oksigen, sedikit sekali metal, dan mineral. Dengan kemudahan penggunaan, ditambah dengan efisiensi thermis yang lebih tinggi, serta penanganan dan pengangkutan yang lebih mudah, menyebabkan penggunaan minyak bumi sebagai sumber utama penyedia energi semakin meningkat. Secara teknis, bahan bakar cair merupakan sumber energi yang terbaik, mudah ditangani, mudah dalam penyimpanan dan nilai kalor pembakarannya cenderung konstan. Beberapa kelebihan bahan bakar cair dibandingkan dengan bahan bakar padat antara lain kebersihan dari hasil pembakaran, m enggunakan alat
Hal
61
bakar yang lebih kompak, penanganannya lebih mudah. Salah satu kekurangan bahan bakar cair ini adalah harus menggunakan proses pemurnian yang cukup komplek.
1) Karakteristik Bahan Bakar Cair Karakteristik bahan bakar cair yang akan dipakai pada penggunaan tertentu untuk mesin atau peralatan lainnya perlu diketahui terlebih dahulu, dengan maksud agar hasil pembakaran dapat tercapai secara optimal. Secara umum karakteristik bahan bakar cair yang perlu diketahui adalah sebagai berikut a) Berat Jenis, Specific Gravity, oAPI Gravity Berat jenis dan oAPI Gravity menyatakan densitas atau berat persatuan volume sesuatu zat. oAPI Gravity dapat diukur dengan hidrometer, sedangkan berat jenis dapat ditentukan dengan piknometer. Pengukuran
oAPI
hidrometer dinyatakan dengan angka 0-100. Hubungan
Gravity dengan
oAPI
Gravity dengan
berat jenis adalah sebagai berikut : oAPI
Gravity =
,
131,5
Satuan berat jenis dapat diyatakan dengan lb/gal atau lb/barel atau m3/ton. Tujuan dilaksanakan pemeriksaan terhadap oAPI Gravity dan berat jenis adalah untuk indikasi mutu minyak dimana makin tinggi oAPI Gravity atau makin rendah berat jenis maka minyak tersebut makin berharga karena banyak mengandung bensin. Sebaliknya semakin rendah oAPI Gravity karena mengandung banyak lilin. Minyak yang mempunyai berat jenis tinggi berarti minyak tersebut mempunyai kandungan panas yang (heating value) yang rendah. b) Titik Tuang (Pour Point) Titik tuang adalah suatu angka yang menyatakan suhu terendah dari bahan bakar minyak sehingga bahan bakar tersebut masih dapat mengalir karena gaya gravitasi. Titik tuang ini diperlukan sehubungan dengan adanya persyaratan praktis dari prosuder penimbunan dan pemakaian dari bahan bakar minyak, hal ini dikarenakan bahan bakar minyak sering sulit untuk di pompa, apabila suhunya telah dibawah titik tuang. c) Titik nyala (Flash Point) Titik nyala adalah suatu angka yang menyatakan suhu terendah dari bahan bakar minyak dimana akan timbul penyalaan api sesaat, apabila pada permukaan minyak didekatkan pada nyala api. Titik nyala ini diperlukan
Hal
62
sehubungan dengan adanya pertimbangan-pertimbangan mengenai keamanan dari penimbunan minyak dan pengangkutan bahan bakar minyak terhadap bahaya kebakaran. Titik nyala tidak mempunyai pengaruh yang besar dalam persyaratan pemakaian bahan bakar minyak untuk mesin diesel atau ketel uap. d) Viskositas (Viscosity) Viskositas adalah suatu angka yang menyatakan besar perlawanan / hambatan dari suatu bahan cair untuk mengalir atau ukurannya tahanan geser dari bahan cair. Makin tinggi viskositas minyak akan makin kental dan lebih sulit mengalir. Demikian sebaliknya makin rendah viskositas minyak makin encer dan lebih mudah minyak untuk mengalir, cara mengukur besar viskositas adalah tergantung pada viscometer yang digunakan , dan hasil (besarnya viskositas) yang dapat harus dibubuhkan nama viskometer yang digunakan serta temperatur minyak pada saat pengukuran. Viskositas merupakan sifat yang sangat penting dalam penyimpanan dan penggunaan bahan bakar minyak. Viskositas mempengaruhi derajat pemanasan awal yang diperlukan untuk handling, penyimpanan dan atomisasi yang memuaskan. Jika minyak terlalu kental,maka akan menyulitkan dalam pemompaan, sulit untuk menyalakan burner, dan sulit dialirkan. Atomisasi yang jelek akam mengakibatkan terjadinya pembentukan endapan karbon pada ujung burner atau pada dinding-dinding. Oleh karena itu pemanasan awal penting untuk atomisasi yang tepat. e) Nilai Kalor (Calorific Value) Nilai kalor adalah suatu angka yang menyatakan jumlah panas / kalori yang dihasilkan dari proses pembakaran sejumlah tertentu bahan bakar dengan udara/ oksigen. Nilai kalor dari bahan bakar minyak umumnya berkisar antara 718,300 – 19,800 Btu/lb atau 10,160 -11,000 kkal/kg. Nilai kalor berbanding terbalik dengan berat jenis (density). Pada volume yang sama, semakin besar berat jenis suatu minyak, semakin kecil nilai kalornya, demikian juga sebaliknya semakin rendah berat jenis semakin tinggi nilai kalornya. Nilai kalor atas untuk bahan bakar cair ditentukan dengan pembakaran dengan oksigen bertekanan pada bomb calorimeter. Peralatan ini terdiri dari container stainless steel yang dikelilingi bak air yang besar. Bak air tersebut bertujuan meyakinkan bahwa temperatur akhir produk akan berada sedikit diatas temperatur awal reaktan, yaitu 25 0C. Nilai kalori dari bensin yang memiliki angka oktan 90-96 adalah sebesar ±10,500 kkal/kg. Nilai kalori diperlukan karena dapat digunakan untuk menghitung jumlah
Hal
63
konsumsi bahan bakar minyak yang dibutuhkan untuk suatu mesin dalam suatu periode. Nilai kalori umumnya dinyatakan dalam satuan kkal/kg atau Btu/lb (satuan british). f)
Angka Oktan
Angka oktan adalah suatu angka yang menyatakan kemampuan bahan bakar minyak (khususnya mogas) dalam menahan tekanan kompresi untuk mencegah gasoline terbakar sebelum busi menyala mencegah terjadinya denotasi (suara mengelitik) didalam mesin bensin. Angka oktan mewakili suatu perbandingan antar n-heptana yang memilki angka oktan nol dan iso- oktana yang memiliki angka oktan seratus. Angka oktan diperlukan karena berhubungan dengan kemajuan teknologi permesinan, yang mempunyai kecenderungan menaikkan perbandingan kompresi untuk meningkatkan power output, yang mana membutuhkan gasoline dengan angka oktan yang tinggi. Secara teoritis angka oktan dapat dihitung menggunakan persamaan berikut ini
Dengan Ob = Nilai Bilangan Oktan Vo = Volume isooktana Vh = Volume n-heptana g) Kadar abu (Ash Content) Kadar abu adalah jumlah sisa-sisa dari minyak yang tertinggal , apabila suatu minyak dibakar sampai habis. Kadar abu ini dapat berasal dari minyak bumi sendiri akibat kontak didalam perpipaan dn penimbunan (adanya partikel metal yang tidak terbakar yang terkandung dalam bahan bakar minyak itu sendiri dan berasal dari sistem penyaluran dan penimbunan. h) Kandungan Belerang (Sulphur Content) Semua bahan bakar minyak mengandung belerang/ sulfur dalam jumlah yang sangat kecil. Walaupun demikian, berhubungan keberadaan belerang ini tidak diharapkan karena sifatnya merusak, maka pembatasan dari jumlah kandungan belerang dalam bahan bakar minyak adalah sangat penting dalam bahan bakar minyak. Hal ini disebabkan karena dalam proses pembakaran , belerang ini teroksidasi oleh oksigen menjadi belerang oksida (SO2) dan belerang teroksida (SO3). Oksida belerang ini apabila kontak dengan air merupakan bahan-bahan yang merusak dan korosif terhadap logam-logam didalam ruang bakar dan
Hal
64
sistem gas buang.
2) Minyak Bumi a) Pengertian Minyak bumi adalah bahan bakar fosil yang berbentuk cairan kental, berwarna coklat, atau kehijauan yang mudah terbakar. Minyak bumi merupakan sumber energi utama dalam kehidupan manusia. Sebagian besar penyusun minyak bumi adalah senyawa alkana. Minyak bumi terbentuk dan bahan renik yang tertimbun jutaan tahun yang lalu dengan tekanan dan suhu yang tinggi. Sisa-sisa tumbuhan dan hewan tertimbun dalam kerak bumi, tekanan yang hebat dari timbunan itu dan suhu yang sangat ekstrem selama jutaan tahun membuat semuanya mencair dan terbentuklah minyak bumi. Lamanya pembentukan minyak bumi inilah yang menjadikan minyak bumi dikatakan sebagai sumber daya alam yang tidak dapat diperbarui. b) Proses pembentukan Pembentukan minyak diawali dengan pembusukan organisme yang kebanyakan dari hasil tumbuhan laut (terutama ganggang dan tumbuhan sejenis) dan juga binatang kecil seperti ikan, yang terkubur dalam lumpur yang berubah menjadi bebatuan. Proses pemanasan dan tekanan di lapisan-lapisan bumi membantu proses terjadinya minyak. Cairan yang membusuk berpindah dari lokasi awal dan terperangkap pada struktur tertentu. Lokasi awalnya sendiri telah mengeras, setelah lumpur itu berubah menjadi bebatuan. Minyak berpindah dari lokasi yang lebih dalam menuju bebatuan yang cocok. Tempat ini biasanya berupa bebatuan pasir yang berporos (berlubang-lubang kecil) atau juga batu kapur dan patahan yang terbentuk dari aktivitas gunung berapi bias berpeluang menyimpan minyak, minyak akan keluar ke permukaan dengan sendirinya, tetapi jika tekanan tak cukup maka diperlukan pompa untuk mengeluarkannya. Ada tiga faktor utama dalam pembentukan minyak bumi, Pertama ada “bebatuan asal” (source rock) yang secara geologis memungkinkan terjadinya pembentukan minyak bumi. Kedua, adanya perpindahan (migrasi) hidrokarbon dari bebatuan asal menuju ke“bebatuan reservoir” (reservoir rock), umumnya sandstone atau limestone yang berpori-pori (porous) dan ukurannya cukup untuk menampung hidrokarbon tersebut.Ketiga, adanya jebakan (entrapment) geologis. Struktur geologis kulit
Hal
65
bumi yang tidak teratur bentuknya, akibat pergerakan dari bumi sendiri (misalnya gempa bumi dan erupsi gunung berapi) dan erosi oleh air dan angin secara terus menerus, dapat menciptakan suatu“ruangan” bawah tanah yang menjadi jebakan hidrokarbon. Jika jebakan ini dilingkupi oleh lapisan yang impermeable, maka hidrokarbon tadi akan diam di tempat dan tidak bisa bergerak kemana-mana lagi. Temperatur bawah tanah, yang semakin dalam semakin tinggi, merupakan faktor penting lainnya dalam pembentukan hidrokarbon. Hidrokarbon jarang terbentuk pada temperatur kurang dari 65 0C dan umumnya terurai pada suhu di atas 2600C. Hidrokarbon kebanyakan ditemukan pada suhu moderat antara 107 – 1770C. c) Komposisi minyak bumi Minyak bumi memiliki campuran senyawa hidrokarbon sebanyak 50-98% berat, sisanya terdiri atas zat-zat organik yang mengandung belerang, oksigen, dan nitrogen serta senyawa-senyawa anorganik seperti vanadium, nikel, natrium, besi, aluminium, kalsium, da n magnesium. Secara umum, komposisi minyak bumi terdiri dari Karbon (C) 84 – 87%, Hidrogen (H) 11 – 14%, Sulfur (S) 0 – 3%, Nitrogen (N) 0 –1%, Oksigen (O) 0 – 2%. Berdasarkan kandungan senyawanya, minyak bumi dapat dibagi menjadi golongan hidrokarbon dan non-hidrokarbon serta senyawa-senyawa logam. 1) Hidrokarbon Golongan hidrokarbon-hidrokarbon yang utama adalah parafin, olefin, naften, dan aromatik.
Parafin
Parafin adalah kelompok senyawa hidrokarbon jenuh berantai lurus (alkana), CnH2n+2. Sebagai contoh adalah metana (CH4), etana (C2H6), n-butana (C4H10), isobutana (2-metilpropana, C4H10), isopentana (2-metilbutana, C5H12), dan isooktana (2,2,4-trimetil pentana, C8H18). Jumlah senyawa yang tergolong ke dalam senyawa isoparafin jauh lebih banyak daripada senyawa yang tergolong nparafin. Tetapi, di dalam minyak bumi mentah, kadar senyawa isoparafin biasanya lebih kecil daripada n-parafin.
Olefin
Hal
66
Olefin adalah kelompok senyawa hidrokarbon tidak jenuh, CnH2n. Sebagai contoh etilena (C2H4), propena (C3H6), dan butena (C4H8).
Naften
Naften adalah senyawa hidrokarbon jenuh yang membentuk struktur cincin dengan rumus molekul CnH2n. Senyawa-senyawa kelompok naften yang banyak ditemukanadalah senyawa yang struktur cincinnya tersusun dari 5 atau 6 atom karbon. Sebagai contohnya adalah siklopentana (C5H10), metilsiklopentana (C6H12) dan sikloheksana (C6H12). Umumnya, di dalam minyak bumi mentah, naftena merupakan kelompok senyawa hidrokarbon yang memiliki kadar terbanyak kedua setelah n-parafin.
Aromatik
Aromatik adalah hidrokarbon-hidrokarbon tak jenuh yang berintikan atom-atom karbon
yang
membentuk
cincin
benzen
(C6H6).
Contohnya
benzene
(C6H6),metilbenzen (C7H8), dan naftalena (C10H8). Minyak bumi dari Sumatera dan Kalimantan umumnya memiliki kadar aromatik yang relatif besar. 2) Non Hidrokarbon Selain senyawa-senyawa yang tersusun dari atom-atom karbon dan hidrogen, di dalam minyak bumi ditemukan juga senyawa non hidrokarbon seperti belerang, nitrogen, oksigen, vanadium, nikel dan natrium yang terikat pada rantai atau cincin hidrokarbon. Unsur-unsur tersebut umumnya tidak dikehendaki berada di dalam produk-produk pengilangan minyak bumi, sehingga keberadaannya akan sangat mempengaruhi langkah-langkah pengolahan yang dilakukan terhadap suatu minyak bumi.
Belerang
Belerang terdapat dalam bentuk hidrogen sulfida (H2S), belerang bebas (S), merkaptan (R-SH, dengan R=gugus alkil), sulfida (R-S-R’), disulfida (R-S-S-R’) dan tiofen (sulfida siklik). Senyawa-senyawa belerang tidak dikehendaki karena menimbulkan bau tidak sedap dan sifat korosif pada produk pengolahan, mengurangi efektivitas zat-zat bubuhan pada produk pengolahan, meracuni katalis-katalis perengkahan dan
menyebabkan pencemaran udara (pada
pembakaran bahan bakar minyak senyawa belerang teroksidasi menjadi zat-zat korosif yang membahayakan lingkungan, yaitu SO2 dan SO3).
Hal
67
Nitrogen
Senyawa-senyawa nitrogen dibagi menjadi zat-zat yang bersifat basa seperti 3-metilpiridin (C6H7N) dan kuinolin (C9H7N) serta zat-zat yang tidak bersifat basa seperti pirol (C4H5N), indol (C8H7N) dan karbazol (C12H9N). Senyawa-senyawa nitrogen dapat mengganggu kelancaran pemrosesan katalitik yang jika sampai terbawa ke dalam produk, berpengaruh buruk terhadap bau, kestabilan warna, serta sifat penuaan produk tersebut.
Oksigen
Oksigen biasanya terikat dalam gugus karboksilat dalam asam-asam naftenat (2,2,6-trimetilsikloheksankarboksilat,
C10H18O2)
dan
asam-asam
lemak
(alkanoat), gugus hidroksi fenolik dan gugus keton. Senyawa oksigen tidak menyebabkan masalah serius seperti halnya senyawa belerang dan senyawa nitrogen pada proses-proses katalitik. 3) Senyawa logam Minyak bumi biasanya mengandung 0,001-0,05% berat logam. Kandungan logam yang biasanya paling tinggi adalah vanadium, nikel dan natrium. Logamlogam ini terdapat bentuk garam terlarut dalam air yang tersuspensi dalam minyak atau dalam bentuk senyawa organometal yang larut dalam minyak. Vanadium dan nikel merupakan racun bagi katalis-katalis pengolahan minyak bumi dan dapat menimbulkan masalah jika terbawa ke dalam produk pengolahan d) Pengolahan minyak bumi Minyak bumi ditemukan bersama-sama dengan gas alam. Minyak bumi yang telah dipisahkan dari gas alam disebut juga minyak mentah (crude oil). Minyak mentah dapat dibedakan menjadi minyak mentah ringan (light crude oil) dan Minyak mentah berat (heavy crude oil). Minyak mentah ringan (light crude oil) yang mengandung kadar logam dan belerang rendah, berwarna terang dan bersifat encer (viskositas rendah), Sedangkan minyak mentah berat (heavy crude oil) yang mengandung kadar logam
dan belerang tinggi, memiliki viskositas
tinggi sehingga harus dipanaskan agar meleleh. Minyak
mentah
merupakan
campuran yang kompleks dengan komponen utama alkana dan sebagian kecil alkena, alkuna, siklo-alkana, aromatik, dan senyawa anorganik. Meskipun kompleks, untungnya terdapat cara mudah untuk memisahkan komponenkomponennya, yakni berdasarkan perbedaan nilai titik didihnya. Proses ini disebut distilasi bertingkat. Untuk mendapatkan produk akhir sesuai dengan
Hal
68
yang diinginkan, maka sebagian hasil dari distilasi bertingkat perlu diolah lebih lanjut melalui proses konversi, pemisahan pengotor dalam fraksi, dan pencampuran fraksi. Distilasi bertingkat Dalam proses distilasi bertingkat, minyak mentah tidak dipisahkan menjadi komponen-komponen murni, melainkan ke dalam fraksi-fraksi, yakni kelompokkelompok yang mempunyai kisaran titik didih tertentu. Hal ini dikarenakan jenis komponen hidrokarbon begitu banyak dan isomer-isomer hidrokarbon mempunyai titik didih yang berdekatan. Proses distilasi bertingkat ini dapat dijelaskan
sebagai
berikut:
Minyak
mentah
dipanaskan
dalam
boiler
menggunakan uap air bertekanan tinggi sampai suhu 600oC. Uap minyak mentah yang dihasilkan kemudian dialirkan ke bagian bawah menara/tanur distilasi. Dalam menara distilasi, uap minyak mentah bergerak ke atas melewati pelat-pelat (tray). Setiap pelat memiliki banyak lubang yang dilengkapi dengan tutup gelembung (bubble cap) yang memungkinkan uap lewat. Dalam pergerakannya, uap minyak mentah akan menjadi dingin. Sebagianuap akan mencapai ketinggian di mana uap tersebut akan terkondensasi membentuk zat cair. Zat cair yang diperoleh dalam suatu kisaran suhu tertentu ini disebut fraksi. Hasilhasil frasionasi minyak bumi yaitu sebagai berikut. 1) Fraksi pertama Pada fraksi ini dihasilkan gas, yang merupakan fraksi paling ringan. Minyak bumi dengan titik didih di bawah 30oC berwujud gas. Gas pada kolom ini ialah gas yang tadinya terlarut dalam minyak mentah, sedangkan gas yang tidak terlarut dipisahkan pada waktu pengeboran. Gas yang dihasilkan pada tahap ini yaitu LNG (Liquid Natural Gas) yang mengandung komponen utama propane (C3H8) dan butana (C4H10), dan LPG (Liquid Petroleum Gas) yang mengandung metana (CH4 ) dan etana (C2H6). 2) Fraksi kedua Pada fraksi ini dihasilkan petroleum eter. Minyak bumi dengan titik didih lebih kecil 90oC, masih berupa uap, dan akan masuk ke kolom pendinginan dengan suhu 30 C – 90oC. Pada trayek ini, petroleum eter (bensin ringan) akan mencair dan keluar ke penampungan petroleum eter. Petroleum eter merupakan campuran alkana dengan rantai C5H12 – C6H14.
Hal
69
3) Fraksi ketiga Pada fraksi ini dihasilkan gasolin (bensin). Minyak bumi dengan titik didih lebih kecil dari 175 oC , masih berupa uap, dan akan masuk ke kolom pendingin dengan suhu 90 oC – 175 oC. Pada trayek ini, bensin akan mencair dan keluar ke penampungan bensin. Bensin merupakan campuran alkana dengan rantai C6H14–C9H20. 4) Fraksi keempat Pada fraksi ini dihasilkan nafta. Minyak bumi dengan titik didih lebih kecil dari 200 oC, masih berupa uap, dan akan masuk ke kolom pendingin dengan suhu 175 oC - 200 oC. Pada trayek ini, nafta (bensin berat) akan mencair dan keluar ke penampungan nafta. Nafta merupakan campuran alkana dengan rantai C9H20 –C12H26. 5) Fraksi kelima Pada fraksi ini dihasilkan kerosin (minyak tanah). Minyak bumi dengan titik didih lebih kecil dari 275 oC, masih berupa uap, dan akan masuk ke kolom pendingin dengan suhu 175 oC - 275 oC. Pada trayek ini, kerosin (minyak tanah) akan mencair dan keluar ke penampungan kerosin. Minyak tanah (kerosin) merupakan campuran alkana dengan rantai C12H26–C15H32. 6) Fraksi keenam Pada fraksi ini dihasilkan minyak gas (minyak solar). Minyak bumi dengan titik didih lebih kecil dari 375 oC, masih berupa uap, dan akan masuk ke kolom pendingin dengan suhu 250 oC - 375 oC. Pada trayek ini minyak gas (minyak solar) akan mencair dan keluar ke penampungan minyak gas (minyak solar). Minyak solar merupakan campuran alkana dengan rantai C15H32–C16H34.
7) Fraksi ketujuh Pada fraksi ini dihasilkan residu. Minyak mentah dipanaskan pada suhu tinggi, yaitu di atas 375 oC, sehingga akan terjadi penguapan.Pada trayek ini dihasilkan residu yang tidak menguap dan residu yang menguap. Residu yang tidak menguap berasal dari minyak yang tidak menguap, seperti aspal dan arang minyak bumi. Adapun residu yang menguap berasal dari minyak yang menguap, yang masuk ke kolom pendingin dengan suhu 375 oC. Minyak pelumas (C16H34 –C20H42) digunakan untuk pelumas mesin-mesin, parafin (C21H44–C24H50) untuk membuat lilin, dan aspal (rantai C lebih besar dari C36H74) digunakan untuk
Hal
70
bahan bakar dan pelapis jalan raya.
Sumber chemwiki.ucdavis.edu
Gambar 27. Destilasi fraksional minyak bumi
Proses konversi Proses
konversi
bertujuan
untuk
memperoleh
fraksi-fraksi
dengan
kuantitas dan kualitas sesuai permintaan pasar. Sebagai contoh, untuk memenuhi kebutuhan fraksi bensin yang tinggi, maka sebagian fraksi rantai panjang perlu diubah/dikonversi menjadi fraksi rantai pendek. Di samping itu, fraksi bensin harus mengandung lebih banyak hidrokarbon rantai bercabang/ alisiklik/aromatik dibandingkan rantai lurus. Jadi, diperlukan proses konversi untuk penyusunan ulang struktur molekul hidrokarbon. Beberapa jenis proses konversi dalam kilang minyak sebagai berikut. 1) Perengkahan (cracking) Proses ini dimaksud untuk memecahkan hidrokarbon yang lebih tinggi menjadi molekul-molekul yang lebih kecil. Produk perengkahan merupakan fraksi gasolin dengan bilangan oktan tinggi. Terdapat tiga cara perengkahan yaitu :
Hal
71
(a). Perengkahan termal Perengkahan terjadi karena proses pemanasan. Reaksi kimia pada proses ini adalah:
n-C30H62
C7H16 +
C9H18 +
C4 H 8
+
C10H20
Hidrokarbon akan merengkah jika dipanaskan sampai suhunya melebihi 300-400 C dengan atau tanpa katalis
(b). Perengkahan katalik Proses perengkahan dengan bantuan katalis untuk mempercepat. Katalis yang digunakan biasanya SiO2 dan Al2O3 atau bauksit. Reaksi dari perengkahan katalik melalui mekanisme reaksi perengkahan ion karbonium. Katalis (bersifat asam) menambahkan proton ke molekul olefin atau menarik ion hibrida dari alkana membentuk karbonium: R
H 2C
H2 C
HC
CH2 + H+
R
CH2
CH2
C + H
CH3
H2 C
H2 C
H2 C
CH3 + H-
R
CH2
CH2
C + H
CH3
atau
R
(c). Hydrocracking Hydrocracking merupakan kombinasi antara proses perengkahan (cracking) dan proses hidrogensi menghasilkan senyawa yang jenuh, pada tekanan tinggi. Keuntungan dari proses hidrocracking adalah belerang yang terkandung dalam minyak diubah menjadi hidrogen sulfida yang kemudian dipisahkan. Reaksi hydrodesulfurization (HDS) yang umum terjadi di hydrocracker adalah sebagai berikut: Merkaptan
H3C
CH2
CH2
CH2
S
CH2
SH + H2
H3C
CH2
CH2
CH3 + H2S
Sulfida
H3C
CH2
CH2 + H2
2 H3C
CH3
+
H2S
Disulfida
H3C
CH2
S
S
CH2
CH3 + H2
2 H3C
CH3 + 2 H2S
Hal
72
Sulfida siklik S H2C
H3C
CH2
CH2
H3C
CH
CH3
CH3
+
H2S
+
H2S
CH2 +
H2C
H2
CH2
CH3
2) Reforming Reforming merupakan proses pengubahan struktur molekul dari hidrokarbon parafin menjadi senyawa aromatik dengan bilangan oktan tinggi. Pada proses ini digunakan katalis molibdenum oksida dalam Al2O3 atau platina dalam lempung. Contoh reaksi: R
R
H2
+
3) Alkilasi Alkilasi merupakan proses penambahan jumlah atom dalam molekul menjadi molekul-molekul yang lebih panjang dan bercabang. Dalam proses ini digunakan katalis asam kuat seperti H2SO4, HCl, AlCl3 (asam lewis).
Secara umum
reaksinya dapat dituliskan H R
H
+
C H
R C R
H R
C H
R C
H
R
4) Polimerisasi Polimerisasi merupakan penggabungan molekul-molekul kecil (gas) dengan rantai karbon kurang dari lima menjadi molekul-molekul yang lebih besar yang merupakan bagian dari jenis bahan bakar bensin. Rumus umumnya:
M CmH2n
Cm+nH2(m+n)
Hal
73
Pemurnian Hampir semua produk hasil proses penyulingan, perengkahan dan yang lainnya, masih
mengandung
pengotor
yang
harus
dihilangkan
sebelum
digunakan/konsumsi. Proses pemurnian ini dapat diakukan dengan cara: a.
Copper sweetening dan doctor treating yaitu proses merubah kotorankotoran yang menyebabkan karat dan bau, agar produk yang dihasilkan tidak berbau.
b.
Acid treatment yaitu membuang pengotor yang berbentuk lumpur sambil memperbaiki warna dan tahan terhadap pembusukan.
c.
Desulfurizing dilakukan untuk menghilangkan unsur belerang.
d.
Dewaxing yaitu proses penghilangan wax (n-parafin) dengan berat molekul tinggi dari fraksi minyak pelumas untuk menghasilkan minyak pelumas dengan pour point yang lebih rendah.
e.
Deasphalting yaitu penghilangan aspal dari fraksi yang digunakan untuk minyak pelumas.
Pencampuran Pencampuran merupakan proses pengolahan produk setelah melalui langkahlangkah sebelumnya agar memenuhi syarat untuk dikonsumsi. Misalnya ditambahkan bahan aditif TEL (tetraethyl lead) yang berfungsi untuk mengurangi ketukan (knocking) pada mesin. Suatu bahan inhibitor dicampur pada bensin agar bensin dapat disimpan lebih lama. Di negara yang mengalami empat musim, ke dalam bensin ditambahkan zat tertentu agar cepat menguap walaupun musim dingin. e) Produk Hasil Pengolahan Minyak Bumi dan Pemanfaatannya 1) Gas petroleum Gas petroleum sebagian besar terdiri dari metana, etana, propana dan butana serta sebagian kecil pentana, gas karbon dioksida, nitrogen dan belium. Gas petroleum antara lain digunakan sebagai bahan bakar, bahan pembuat karbon, bahan pembuat bensin (khusus dari gas basah) dan bahan pembuat zat-zat kimia lain seperti CO2, H2, dan asetilen.
Hal
74
2) Pertamak Plus Adalah bahan bakar motor bensin tanpa timbal yang diproduksi dari High Octane Mogas Component (HOMC) yang berkualitas tinggi ditambah dengan bahan aditif generasi terbaru sesuai dengan kebutuhan yang direkomendasikan pabrikan kendaraan bermotor. Bahan bakar ini diformulasikan khusus untuk memenuhi tuntutan akan bahan bakar minyak yang dapat melayani mesin yang bekerja pada kompresi tinggi tetapi ramah lingkungan dan lebih aman terhadap kesehatan manusia. Pertamak plus mempunyai angka oktan minimal 95 dimana angka oktan ini lebih tinggi dari premix dan premium.. 3) Pertamax Adalah bensin tanpa timbal dengan kandungan aditif generasi mutakhir yang dapat membersihkan Intake Valve Port Fuel Injektor dan ruang bakar dari carbon. Mempunyai angka oktan 92 dan dapat digunakan pada kendaraan dengan kompresi yang tinggi. 4) Premium Tanpa Timbal (Super TT) Adalah bahan bakar motor bensin yang tidak mengandung timbale dan komponen HOMC. Bahan bakar ini dapat digunakan pada kendaraan yang menggunakan Catalitic Conventer 5) Bensin Bensin atau gasoline adalah cairan campuran yang sebagian besar berupa senyawa hidrokarbon (parafin, naftalen, senyawa tidak jenuh dan terkadang senyawa aromatic) yang berasal dari minyak bumi, digunakan sebagai bahan bakar untuk kendaraan bermotor. Istilah gasoline banyak digunakan dalam industri minyak, bahkan dalam perusahaan. Kadangkala istilah mogas (motor gasoline) digunakan untuk membedakannya dengan avgas, gasoline yang digunakan oleh pesawat terbang ringan. Terdapat tiga jenis bensin antara lain : 1. Bensin yang dihasilkan langsung dari penyulingan minyak mentah yang disebut bensin langsung. 2. Bensin yang dihasilkan dari gas alam atau hasil pengolahan lainnya yang disebut bensin alam. 3. Bensin yang dihasilkan dari perengkahan bagian-bagian minyak bumi yang lebih berat dari bensin biasa, dengan perengkahan ini maka jumlah bagian
Hal
75
bensin yang dihasilkan minyak bumi dapat bertambah, bensin jenis ini disebut bensin rengkahan. Syarat yang harus dipenuhi antara lain: a) Sifat pengetukan (knocking) Pengetukan pada mesin timbul karena terjadi pembakaran abnormal, dimana bahan bakar terbakar sendiri sebelum waktunya di dalam ruang pembakaran. Pengetesan itu sendiri adalah suatu yang timbul dari logam yang mengakibatkan kerugian tenaga dan getaran mesin yang akibatnya lebih lanjut seperti melubangi piston. b) Mempunyai titik didih tertentu Makin rendah titik didih awalnya menunjukkan bahwa dalam bensin banyak komponen ringan karena terjadi kehilangan komponen pada saat penyimpanan yang disebabkan oleh penguapan, sedangkan jika titik didih awalnya tinggi berarti makin sukar terbakar pada permulaan dan sisa pembakaran akan mengencerkan minyak pelumas. c) Angka oktan menunjukkan mutu bahan bakar bensin. Semakin tingi angka oktan makin baik karena detonasi semakin berkurang sehingga pembakaran teratur. Angka oktan bensin menunjukkan % iso-oktan dalam campuran dengan n-heptana sehingga mempunyai sifat pembakaran yang sama. d) Iso-oktan dianggap memiliki angka oktan 100 % dan dalam normal heptana memiliki angka oktan 0%. Angka oktan bensin umumnya berkisar antara 0% dan 100 %. e) Kadar belerang harus rendah agar tidak korosif. f)
Bensin harus stabil agar tidak terjadi perubahan komponen pada saat bensin disimpan dalam waktu lama. Komponen yang menyebabkan bensin tidak stabil adalah senyawa tidak jenuh karena senyawa ini mudah dioksidasi atau mengalami polimerisasi sehingga terjadi gum.
g) Warna dan bau yang khas pada bensin disebabkan oleh belerang dan senyawa tidak jenuh. Untuk memenuhi persyaratan di atas maka bagian bensin hasil penyulingan harus dilakukan pengolahan lebih lanjut dengan meningkatkan nilai oktan (proses reforming dan penambahan zat adif TEL) dan mengurangi kadar belerang dengan menambahkan natrium plumbit Na2PbO2. 6) Minyak Tanah Minyak tanah atau disebut juga kerosen (parafin) adalah cairan hidrokarbon yang
Hal
76
tak berwarna dan mudah terbakar. Ini diperoleh dari hasil destilasi bertingkat dari petroleum pada 150oC dan 275oC (rantai karbon C12-C15). Minyak tanah banyak digunakan untuk lampu minyak dan kompor, sekarang banyak digunakan sebagai bahan bakar mesin jet (Avtur, Jet-A, Jet-B, JP-4 atau JP-8). Kerosen dikenal sebagai RP-1 digunakan sebagai bahan bakar roket. Pada proses pembakarannya menggunakan oksigen cair. Kerosen didestilasi langsung dari minyak mentah dan memerlukan pengendalian khusus dalam sebuah unit Merox atau hydrotreater untuk mengurangi kadar belerang dan perkaratan. Kerosen dapat juga diproduksi oleh hydrockraker, yang digunakan untuk meningkatkan bagian dari minyak mentah yang cocok untuk bahan bakar minyak. Penggunaan minyak tanah untuk kepentingan dapur terbatas pada negara berkembang. Kerosen untuk bahan bakar jet spesifikasinya diperketat terutama titik asap dan titik beku. Kerosene digunakan untuk membasmi serangga seperti semut dan kecoa. Kadang-kadang digunakan juga sebagai campuran dalam cairan pembasmi serangga. Minyak tanah sifatnya berada antara minyak gas dan bensin. Sifat fisik minyak tanah meliputi titik didih 175-284 0C, berat jenis 0,7-0,83 g/cm3 dan minyak bumi mengandung 5-25% minyak tanah, sedangkan dalam minyak tanah mengandung senyawa-senyawa seperti parafin, naften, aromatik, dan senyawa belerang. Jumlah kandungan komponen senyawa dalam minyak tanah akan mempengaruhi sifat-sifat minyak tanah. 7) Minyak Diesel Minyak diesel termasuk minyak bakar (fuel oil). Termasuk minyak bakar adalah burner dalam industri dan turbin. Jenis minyak diesel, yaitu (1) HSD (high speed diesel) jenis minyak diesel yang digunakan untuk mesin-mesin dengan putaran yang tinggi (±1000 rpm) dan (2) LSD (low speed diesel) yaitu minyak diesel yang digunakan untuk mesin-mesin dengan putaran <1000 rpm. Sifat pembakaran minyak diesel dinyatakan oleh angka setan yang menyatakan persentase setan dalam campuran metil naftalena (C11H10), dengan nilai antara 1 dan 100, di mana angka 100 menunjukkan minyak diesel yang baik. Persyaratan minyak diesel antara lain : a) titik nyala 100o-130oC/38o -55oC. b) angka setan 40 c) kadar belerang maksimum 0,5% d) karbon residu maksimum 0,5%.
Hal
77
8) Minyak Pelumas Minyak pelumas adalah bagian dari minyak bumi yang mempunyai titik didih lebih tinggi dari pada minyak gas. Tidak setiap minyak bumi mengandung minyak pelumas, terkadang rendah sekali sehingga sulit untuk diolah. Sifat-sifat minyak pelumas antara lain: kekentalan, kestabilan, warna dan daya emulsi. Proses pengolahan minyak pelumas: a) De-aspalting
yaitu
pemisahan
komponen-komponen
aspal
dengan
penambahan asam sulfat atau ekstraksi dengan pelarut propana. b) De-waxing yaitu pemisahan wax yang menyebabkan titik didihnya rendah. Metode de-waxing dilakukan dengan cara mendinginkan campuran minyak pelumas dan pelarut, setelah wax membeku disaring dengan saringan kemudian ditekan pada suhu < 0oC. c) Pengolahan secara kimiawi yaitu untuk memisahkan komponen-komponen yang mempunyai indeks kekentalan rendah dengan ekstraksi menggunakan pelarut pulfural. d) Perkolasi yaitu proses penyaringan dengan absorban misalnya fuller earth, untuk memperbaiki warna. Tidak semua pelumas diproses menurut keempat cara di atas, tergantung pada sifat minyak pelumas kasarnya. 9) Minyak Parafin Wax Parafin wax adalah zat berwarna berbentuk kristal dan tidak berbau, dapat berbentuk padat atau setengah padat. Parafin tidak mudah bereaksi dengan senyawa kimia lain (inert), tetapi pada suhu tinggi sebagian kecil akan teroksidasi atau pecah (cracking), tidak larut dalam air dan alkohol tetapi larut dalam fraksi minyak bumi dan benzena. Parafin merupakan senyawa hidrokarbon tinggi yang jenuh (parafin). Pada proses penyulingan ikut tersuling setelah gas oil. Parafin diperoleh dengan cara : a) Penyulingan. Dilakukan dengan cara penyulingan kembali residu yang dihasilkan, untuk menghilangkan komponen aspal yang masih terkandung dalam wax agar wax tidak mengkristal. b) Pendinginan. Bagian wax didinginkan sampai wax mengkristal.
Hal
78
c) Penyaringan. Kristal yang terbentuk disaring melalui saringan bertekanan pada suhu rendah. d) Sweating. Pencairan wax secara perlahan sehingga bagian dari minyak dapat terpisah. e) Perkolasi (penambahan asam sulfat). Penambahan asam sulfat untuk mendapatkan wax yang lebih jernih. Wax yang dihasilkan digolongkan dalam beberapa jenis menurut titik cairnya yaitu : 45-52oC, 55-57oC dan 63-66oC.Kegunaan parafin secara umum sebagai bahan dasar pembuatan lilin yang biasanya dicampur dengan lemak hewan, bahan pelapis tahan air, dan bahan isolasi listrik.
d. Bahan bakar gas 1) Pengertian Gas Alam atau yang sering disebut dengan gas bumi adalah bahan atau materi yang terdiri dari fosil-fosil dan terbentuk dalam wujud gas. Gas alam dapat ditemukan di ladang minyak, ladang gas bumi dan juga tambang batu bara yang diambil dengan cara pengeboran (drilling). Komponen (utama ) dalam gas alam yaitu metana 80-95%, etana 5-15%, propana dan butana <5%. Gas alam juga merupakan campuran hidrokarbon ringan yang terbentuk secara alami yang bercampur dengan beberapa senyawa non-hidrokarbon. Gas alam tak terasosiasi dihasilkan dari cadangan yang tidak mengandung minyak (sumur kering). Di sisi lain, gas alam terasosiasi bersinggungan dengan dan/atau terlarut dalam minyak bumi serta merupakan produk yang dihasilkan bersama minyak. Komponen utama dari kebanyakan gas alam adalah metana. Hidrokarbon parafinik berberat molekul lebih tinggi (C2-C7) biasanya terdapat dalam jumlah kecil dalam campuran gas alam, dan kadarnya sangat bervariasi tergantung pada tempat gas asalnya. Gas alam tak-terasosiasi normalnya mengandung kadar metana lebih tinggi daripada gas alam terasosiasi. Gas alam terasosiasi mengandung hidrokarbon lebih berat dengan kadar lebih tinggi. Zat nonhidrokarbon dalam gas alam bervariasi dari satu tambang gas ke tambang gas lainnya. Beberapa senyawa non-hidrokarbon tersebut merupakan asam lemah, seperti hidrogen sulfida dan karbon dioksida, sedang lainnya merupakan bahan inert, seperti nitrogen, helium dan argon. Beberapa cadangan gas alam berisi cukup banyak helium untuk diproduksi komersial. Hidrokarbon berberat molekul
Hal
79
lebih tinggi dalam gas alam merupakan bahan bakar dan juga bahan baku kimia yang penting dan biasanya dihasilkan dalam bentuk cairan gas alam. Sebagai contoh, etana dipisahkan dan digunakan untuk memproduksi etilena. Propana dan butana diambil dari gas alam dan distribusikan sebagai gas petroleum yang dicairkan (LPG). Sebelum gas alam digunakan ia harus diproses atau diolah untuk memisahkan zat pengotor dan mengambil hidrokarbon lebih berat (lebih berat dari metana).
2) Proses Pengolahan Gas Alam Gas alam mentah mengandung sejumlah karbon dioksida, hidrogen sulfida, dan uap air yang bervariasi. Adanya hidrogen sulfida dalam gas alam untuk konsumsi rumah tangga tidak bisa ditoleransi karena sifat racunnya. Zat ini juga menyebabkan karat pada peralatan logam. Karbon dioksida tidak diinginkan, zat ini akan mengurangi nilai panas gas karena akan memadat pada tekanan tinggi serta temperatur rendah yang dipakai pada pengangkutan gas alam. Untuk mendapatkan gas alam kering, maka gas-gas asam dan uap air dihilangkan. Proses Pengolahan Gas Alam Cair Pencairan gas alam menjadi LNG/LPG bertujuan untuk memudahkan dalam penyimpanan dan transportasi gas alam yang diolah di kilang LNG/LPG. Proses pengolahan gas alam cair umumnya menggunakan Process Train, yaitu proses pengolahan gas alam hingga menjadi LNG serta produk-produk lainnya (pencairan fraksi berat dari gas alam). Dalam pengolahan gas alam di process train dilakukan proses pemurnian, pemisahan H2O dan Hg, serta pendinginan dan penurunan tekanan secara bertahap hingga hasil akhir proses berupa LNG. Terdiri beberapa tahapan yaitu: Gas Purification Proses ini adalah pemurnian gas dengan pemisahan kandungan CO2 (Karbon Dioksida) dari gas alam. Kandungan CO2 tersebut harus dipisahkan agar tidak mengganggu proses selanjutnya. Pemisahan CO2 dilakukan dengan proses absorbsi larutan Mono Ethanol Amine (MEA), yang sekarang diganti dengan Methyl De Ethanol Amine (MDEA)
produksi Ucarsol. Proses ini dapat
mengurangi CO2 sampai di bawah 50 ppm dari aliran gas alam. Batas maksimum kandungan CO2 pada proses selanjutnya adalah 50 ppm. Gas Dehydration And Mercury Removal
Hal
80
Selain CO2, gas alam juga mengandung uap air (H2O) dan Mercury (Hg) yang akan menghambat proses pencairan pada suhu rendah. Pada proses ini kandungan H2O dan Hg dipisahkan dari gas alam. Kandungan H2O pada gas alam tersebut akan menjadi padat dan akan menghambat pada proses pendinginan gas alam selanjutnya karena dapat menyumbat pipa dan alat lainnya saat mengalami pembekuan, serta untuk mengurangi masalah karat dan mencegah terbentuknya hidrat. Hidrat adalah senyawa padat berwarna putih yang terbentuk dari reaksi kimia-fisik antara hidrokarbon dan air pada tekanan tinggi dan temperatur rendah yang digunakan untuk mengangkut gas alam melalui jalur pipa. Hidrat mengurangi efisiensi jalur pipa. Untuk mencegah pembentukan hidrat, gas alam bisa diolah dengan glikol, yang melarutkan air secara efisien. Etilena glikol (EG), dietilena glikol (DEG), dan trietilena glikol (TEG) merupakan contoh pelarut untuk pengambilan air. Trietilena glikol (TEG) lebih baik jika dipakai pada proses fasa-uap karena tekanan uapnya yang rendah, yang mengakibatkan sedikit saja kehilangan glikol. Absorber TEG normalnya berisi 6 hingga 12 nampan (tray) bubble-cap untuk melakukan proses absorpsi air. Cara lain untuk menghilangkan hidrat gas alam adalah dengan menyuntikkan metanol ke dalam jalur gas untuk menurunkan temperatur pembentukan hidrat hingga di bawah temperatur atmosfer. Air juga bisa dikurangi atau diambil dari gas alam dengan memakai adsorben padat seperti saringan molekular atau gel silika. Pemisahan kandungan H2O (Gas Dehydration) dilakukan dengan cara absorbsi menggunakan molecullar sieve hingga kandungan H2O maksimum 0,5 ppm. Kandungan mercury (Hg) pada gas alam tersebut jika terkena peralatan yang terbuat dari aluminium akan terbentuk amalgam. Sedangkan tube pada Main Heat Exchanger 5E-1 yang merupakan alat pendingin dan pencairan utama untuk memproduksi LNG adalah terbuat dari aluminium. Pemisahan kandungan Hg (Mercury Removal) dilakukan dengan cara absorbsi menggunakan adsorben. Bed Mercury Removal yang berisi Sulfur Impregnated Activated Charcoal dimana merkuri akan bereaksi membentuk senyawa HgS, hingga kandungan Hg maksimum 0,1 ppm. Fractination
Hal
81
Sebelum gas alam didinginkan dan dicairkan pada Main Heat Exchanger 5E-1 pada suhu yang sangat rendah hingga menjadi LNG, proses pemisahan (fractination) gas alam dari fraksi-fraksi berat (C2, C3, ..., dst) perlu dilakukan. Pemisahan gas alam dari fraksi beratnya dilakukan pada Scrub Column 3C-1. Setelah dipisahkan dari fraksi beratnya, gas alam didinginkan terlebih dahulu hingga temperatur sekitar -50°C dan selanjutnya diproses untuk didinginkan lebih lanjut dan dicairkan. Sedangkan fraksi beratnya dipisahkan lagi sesuai dengan titik
didihnya
dengan
beberapa
alat
(Deethanizer,
Deprophanizer
dan
Debuthanizer) untuk mendapatkan prophane, buthane dan condensate. Refrigeration Selain penurunan tekanan, proses pencairan gas alam dilakukan dengan menggunakan sistem pendingin bertingkat. Bahan pendingin yang digunakan: Propane dan Multi Component Refrigerant (MCR). MCR adalah campuran Nitrogen, Methane, Ethane, Prophane dan Buthane yang digunakan untuk pendinginan akhir dalam proses pembuatan LNG. Pada proses ini menghasilkan pendingin Prophane dan MCR. Baik prophane maupun MCR sebagai pendingin diperoleh dari hasil sampingan pengolahan LNG. Siklus Pendingin Prophane Cairan
prophane
akan
berubah
fase
menjadi
gas
prophane
setelah
temperaturnya naik karena dipakai mendinginkan gas alam maupun MCR. Sesuai dengan kebutuhan pendinginan bertingkat pada proses pengolahan LNG, kondisi cairan prophane yang dipakai pendinginan ada 3 tingkat untuk MCR dan 3 tingkat untuk gas alam. Gas prophane setelah dipakai untuk pendinginan dikompresikan oleh Prophane Recycle Compresor 4K-1 untuk menaikkan tekanannya, kemudian didinginkan oleh air laut, dan selanjutnya dicairkan dengan cara penurunan tekanan. Demikian siklus pendingin propane diperoleh. Siklus Pendingin MCR Cairan MCR berubah fase menjadi gas MCR dengan kenaikan temperatur karena dipakai pendinginan gas alam pada Main Heat Exchanger 5E-1. Gas MCR tersebut dikompresikan secara seri oleh MCR First Stage Compresor 4K-2 dan MCR Second Stage Compressor 4K-3 untuk menaikkan tekanannya. Pendinginan dengan air laut dilakukan pada interstage 4K-2 dan 4K-3 serta pada discharge 4K-3. Liquefaction
Hal
82
Pada proses ini dilakukan pendinginan dan pencairan gas alam setelah gas alam mengalami pemurnian dari CO2, pengeringan dari kandungan H2O, pemisahan Hg serta pemisahan dari fraksi beratnya dan pendinginan bertahap oleh prophane. Gas alam menjadi cair setelah keluar dari Main Heat Exchanger 5E-1 dan peralatan lainnya selanjutnya ditransfer ke storage tank.
3) Komposisi kimia Komponen utama dalam gas alam adalah metana (CH4), yang merupakan molekul hidrokarbon rantai terpendek dan teringan. Gas alam juga mengandung molekul-molekul hidrokarbon yang lebih berat seperti etana (C2H6), propana (C3H8) dan
butana (C4H10), selain itu gas alam juga mengandung sulfur
(belerang). Kadar hidrokarbon dalam gas alam dapat dilihat dalam tabel berikut Tabel 3. Kadar hidrokarbon di dalam gas alam Komponen
Kadar (%)
Metana (CH4)
80-95
Etana (C2H6)
5-15
Propana (C3H8) and Butana (C4H10)
<5
Selain hidrokarbon di dalam gas alam terdapat nitrogen, helium, karbon dioksida (CO2), hidrogen sulfida (H2S), air dan merkuri dalam jumlah kecil. Campuran organosulfur dan hidrogen sulfida adalah pengotor utama dari gas yang harus dipisahkan. Gas alam dengan pengotor sulfur dinamakan sour gas dan sering disebut juga sebagai "acid gas
(gas asam)". Gas alam yang telah diproses
bersifat tidak berasa dan tidak berbau. Akan tetapi, sebelum gas tersebut didistribusikan biasanya gas tersebut diberi bau dengan menambahkan thiol, agar dapat terdeteksi bila terjadi kebocoran gas. Gas alam dapat berbahaya karena sifatnya yang sangat mudah terbakar dan menimbulkan ledakan. Gas alam lebih ringan dari udara, sehingga cenderung mudah tersebar di atmosfer, bila berada dalam ruang tertutup, seperti dalam rumah, konsentrasi gas dapat mencapai titik campuran yang mudah meledak, yang jika tersulut api, dapat menyebabkan ledakan yang dapat menghancurkan bangunan. Kandungan metana yang berbahaya di udara adalah antara 5% hingga 15%. Gas alam merupakan campuran dari gas-gas sesuai yang digunakan sebagai bahan bakar berbentuk gas. Gas alam yang penting adalah gas alam yang berhubungan
Hal
83
dengan minyak mentah yang didapat dari sumur minyak. Gas alam yang terdapat di dalam sumur minyak dibagi menjadi dua jenis yaitu : a) Dry gas (gas kering) Jenis gas kering didapat dari sumur atau ladang yang tidak ada minyak mentahnya. Jenis gas ini tidak mengandung uap seperti gasolin. Gas kering mengandung metana (CH4), etana (C2H6) dan nitrogen (N2). b) Wet gas (gas basah) Gas yang di dapat dari perolehan ladang minyak disebut gas alam basah. Gas basah mengandung metana, n-propana, n-butana, iso-butana, iso-pentana, dan sedikit gasolin. Dalam kadar yang rendah (sekitar 5 – 20 %) propana (C3H8), hidrogen (H2), hidrogen sulfida (H2S) dan Nitrogen (N2) terdapat dalam gas basah. Selain itu Helium (He) juga terkadang terdapat di dalam gas alam basah.
4) Jenis-Jenis Bahan Bakar Gas Jenis-jenis bahan bakar gas meliput:
a) CNG Gas alam terkompresi (Compressed natural gas, CNG) adalah alternatif bahan bakar selain bensin atau solar. Di Indonesia, kita mengenal CNG sebagai bahan bakar gas (BBG). Bahan bakar ini dianggap lebih 'bersih' bila dibandingkan dengan dua bahan bakar minyak (bensin atau solar) karena emisi gas buangnya yang ramah lingkungan. CNG dibuat dengan melakukan kompresi metana (CH4) yang diekstrak dari gas alam. CNG disimpan dan didistribusikan dalam bejana tekan, biasanya berbentuk silinder. CNG (Commpressed Natural Gas) atau Gas Alam Padat merupakan gas bumi yang telah dimurnikan dan dimampatkan pada tekanan 250 bar sehingga aman, bersih dan murah untuk dipakai sebagai bahan bakar yang bisa menggantikan Premium, Solar (HSD) , Diesel Fuel (MDF) , LPG, atau Minyak Bakar (MFO). Secara umum CNG mengandung komponen utama berupa metana (CH4) dan etana (C2H8) dengan fraksi sekitar 90%. CNG merupakan bahan bakar ramah lingkungan, mengurangi emisi CO2 sekitar 60% dibanding Premium, bebas dari emisi Pb, SOx dan NOx. b) LPG
Hal
84
Liquefied Petroleum Gas (LPG) atau gas petroleum cair merupakan gas hasil produksi dari kilang minyak (Kilang BBM) dan Kilang gas sebagai hasil penyulingan minyak mentah, berwujud gas dalam keadaan normal, tapi dapat dikompresi menjadi cairan dengan menambah tekanan atau menurunkan suhu Komponennya didominasi propana (C3H8) dan butana (C4H10) serta hidrokarbon ringan lainnya dalam jumlah kecil, yaitu etana (C2H6) dan pentana Sumber citra indonesia.com
Gambar 1. LPG
(C5H12). Tekanan di mana LPG berbentuk cair, dinamakan tekanan uapnya, nilai tekanan ini bervariasi tergantung komposisi dan temperaturnya. Sebagai contoh, dibutuhkan
tekanan sekitar 220 kPa (2.2 bar) bagi butana murni pada 20 °C (68 °F) agar mencair, dan sekitar 2.2 MPa (22 bar) bagi propana murni pada 55 °C (131 °F). Uap LPG lebih berat dari udara, butana beratnya sekitar dua kali berat udara dan propan sekitar satu setengah kali berat udara. Sehingga, uap LPG dapat mengalir didekat permukaan tanah dan turun hingga ke tingkat yang paling rendah dari lingkungan dan dapat terbakar pada jarak tertentu dari sumber kebocoran. Untuk membantu pendeteksian kebocoran ke udara, LPG biasanya ditambah bahan yang berbau seperti Ethyl Mercaptane. Secara umum sifat LPG adalah sebagai berikut:
Berat
jenis
gas
pada
LPG
lebih
besar
dari udara, yaitu butana
mempunyai berat jenis dua kali lipat dari berat jenis udara dan propana mempunyai berat jenis satu setengah kali lipat dari berat jenis udara.
Perbandingan komposisi propana (C3H8) terhadap butana (C4H10) adalah 30 : 70.
Tidak mempunyai sifat pelumasan terhadap metal.
Zat
pembau
(mercaptane)
biasa
ditambahkan kepada
LPG
untuk
memberikan bau yang khas, sehingga kebocoran gas dapat dideteksi dengan cepat.
Tidak mengandung racun.
Setiap satu kilogram LPG cair dapat berubah
menjadi kurang lebih 500 liter gas LPG. Selain
digunakan
sebagai
bahan
bakar,
gas
LPG
digunakan pula sebagai bahan penekan serta untuk hasil produksi yang berjenis spray, seperti deodorant, minyak wangi spray, cat pylox, dan kosmetik sejenisnya. Jenis LPG yang ada dipasaran adalah :
Hal
85
LPG Mix, merupakan campuran antara propana (C3H8) dan butana (C4H10) dengan komposisi antara 20-30% dan 70-80% volume dan ditambahkan oleh odor/pembau EthylMercaptane. Umumnya digunakan sebagai bahan bakar untuk rumah tangga.
LPG Propana, merupakan LPG yang mengandung propana 95% volume masingmasing dan ditambahkan dengan odor/pembau Ethyl Mercaptane. Umumnya digunakan untuk industri.
LPG Butana, merupakan LPG yang mengandung butana 97,5% volume dan ditambahkan
dengan
odor/pembau
Ethyl Mercaptane.
Umumnya
digunakan untuk industri. c) LNG LNG adalah gas alam yang dicairkan, dengan kandungan utama dari LNG adalah metana dengan sedikit etana, propana, isobutana, normal-butana dan iso pentana, serta kandungan-kandungan H2S yang beragam. LNG biasanya dipakai di Industri sebagai bahan bakar. LNG adalah Gas Alam yang didinginkan lalu dikondensasikan menjadi liquid (cair).. Pada umumnya LNG disimpan dengan temperatur yang sangat rendah sekitar 150oC dengan tekanan 17 bar/g. Volume LNG dalam bentuk cair lebih kecil dibandingkan dalam bentuk gas untuk berat yang sama. Karena itu LNG dipasarkan dalam bentuk cair . Berbeda dengan LPG, LNG lebih ringan dibanding udara, karena metana dalam bentuk gas mempunyai berat jenis sedikit lebih kecil dari berat jenis udara. LNG tidak berbau, tidak berwarna, tidak korosif dan tidak beracun. Uap LNG, yang utamanya metana, hanya terbakar dalam kisaran campuran-gas-udara 5 sampai 15 persen. Jika konsentrasi bahan bakar lebih rendah dari 5 persen, maka tidak dapat terbakar karena kurangnya kandungan bahan bakar. Jika konsentrasi bahan bakar lebih tinggi dari 15 persen juga tidak dapat terbakar karena kandungan oksigen tidak mencukupi untuk pembakaran. Agar LNG terbakar , LNG harus dalam bentuk uap, dicampur dengan udara pada titik bakar dan dengan adanya sumber api. Catatan ledakan di pabrik LNG sangat langka. LNG sendiri tidak akan meledak di dalam tangki penyimpanan, karena disimpan pada suhu sekitar minus 150 derajat Celcius dan pada tekanan atmosfer . Oleh karena itu, tanpa adanya tekanan yang signifikan, atau ketika LNG disimpan di dalam tangki, kemungkinan untuk meledak sangat kecil.
Hal
86
5) Sifat-Sifat Bahan Bakar Gas Alam Gas alam yang diolah terutama mengandung metana; sifat keduanya (gas alam dan metana) hampir serupa. Namun, gas alam bukanlah metana murni, dan sifatnya terpengaruh oleh adanya zat pengotor, seperti N2 dan CO2 dan sejumlah kecil hidrokarbon lebih berat yang tak terpisahkan. Salah satu sifat penting gas alam adalah nilai panasnya. Jumlah nitrogen atau karbon dioksida yang relatif lebih tinggi akan menurunkan nilai panas gas tersebut. Metana murni memiliki nilai panas 1.671 kJ/m3. Nilai ini turun menjadi hampir 1.490 kJ/m3 jika gas mengandung sekitar 10% N2 dan CO2. (Nilai panas nitrogen atau karbon dioksida adalah nol.) Pada sisi lain, nilai panas gas alam bisa melebihi metana karena adanya hidrokarbon berberat molekul lebih tinggi, yang memiliki nilai panas lebih tinggi. Sebagai contoh, nilai panas etana adalah 2.981 kJ/m3, bandingkan dengan 1.671 kJ/m3 untuk metana. Nilai panas hidrokarbon yang biasanya terkandung dalam gas alam ditunjukkan pada Tabel 3. Gas alam biasa dijual sesuai dengan nilai panasnya. Nilai panas satu produk gas merupakan fungsi dari zat yang ada dalam campuran tersebut Tabel 4. Sifat-sifat fisik dan kimia berbagai bahan bakar gas Bahan Bakar Gas
Masa
Nilai Kalor
Perbandingan
Suhu
Kecepatan
Jenis
yang
Udara/Bahan bakar
Nyala
Nyala api
Relatif
lebih tinggi
- m3 udara terhadap
api
m/s
3
kkal/Nm
3
m Bahan Bakar
o
C
Gas alam
0.6
9350
10
1954
0,290
Propan
1,52
22200
25
1967
0,460
Butan
1,96
28500
32
1973
0,870
e. Bahan bakar hidrogen 1) Pengertian bahan bakar hidrogen Bahan bakar hidrogen atau BBH atau fuel cell adalah sumber energi masa depan bersifat ecoenergy dengan proses pembakaran yang hanya menghasilkan air dan energi (listrik dan panas). BBH berbeda dengan kerja aki. Jika aki menghabiskan zat dari dalam untuk bekerja, sel bahan bakar memanfaatkan zat dari luar, seperti hidrogen dan oksigen, dan terus bekerja tanpa henti selama sumber bahan bakar tersedia. Hidrogen dihasilkan
Hal
87
melalui proses tertentu dan disimpan, sedangkan oksigen berasal dari atmosfer. Hidrogen yang disimpan akan dicampur dengan oksigen dari atmosfer dan terjadi reaksi kimia. Reaksi ini merupakan pereaksian pembentukan air yang membebaskan energi.
2 H2
O2
+
2 H2O
+
Energi
Pembakaran hidrogen tersebut terjadi secara eksotermik. Hidrogen tergolong molekul yang sangat reaktif sehingga pembakaran dapat berlangsung dengan mudah. Reaksi pembakaran hidrogen menghasilkan dua molekul air yang terdiri dari sepasang ikatan O—H. Energi total yang dihasilkan reaksi pembakaran hidrogen ini adalah 482 kJ.
Energi yang dihasilkan cukup
besar jika dibandingkan dengan reaksi pembakaran gas alam (metana), minyak (minyak bumi), dan biomassa. Reaksi pembakaran metana, minyak, biomassa secara berurutan. CH4
+
2 O2
CO2
+
2 H 2O
+
Energi
2 ( CH2 ) +
3 O2
2 CO2
+
2 H2 O
+
Energi
C2H5OH
3 O2
2 CO2
+
3 H2 O
+
Energi
+
Metana membutuhkan 2 mol oksigen untuk menghasilkan energi sebesar 810 kJ. Hal ini berarti pembakaran metana tiap mol oksigen adalah 405 kJ. Pembakaran minyak tiap mol oksigennya menghasilkan energi sebesar 407 kJ. Pembakaran biomassa menghasilkan 419 kJ per mol oksigen. Dari data di atas energi pembakaran hidrogen lebih tinggi dari gas alam (metana), minyak (minyak bumi), dan biomassa, di samping itu kebutuhan oksigen dalam pembakaran lebih efisien hidrogen dan menghasilkan pembakaran sempurna serta ramah lingkungan.
2) Karakteristik hidrogen Nama hidrogen diberikan oleh Lavoiser pada tahun 1783 dari bahasa Yunani yaitu “Hydro” yang artinya air dan “Genes” yang artinya membentuk atau menghasilkan. Hidrogen dapat diartikan sebagai unsur pembentuk air atau yang menghasilkan air. Hidrogen merupakan unsur yang paling ringan di antara unsur lainnya dalam tabel periodik dan merupakan unsur yang paling banyak terdapat di alam semesta yang kelimpahannya mencapai 75% berat dan unsur ketiga yang terbanyak terdapat di bumi yaitu kadar mencapai 1400 ppm (0,14% berat). Di alam hidrogen memiliki 3 buah isotop yaitu 1H, 2H, dan 3H. Isotop 1H adalah
Hal
88
isotop hidrogen yang kelimpahannya mencapai 99,98% yang dikenal dengan Protium. Isotop stabil yang lain adalah 2H (Deuterium) dan intinya terdiri dari 1 proton dan 1 neutron. Deuterium bukanlah zat radioaktif dan tidak berbahaya. Deuterium dalam bentuk H2O banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari untuk keperluan air minum, pelarut, pendingin dalam reaktor nuklir serta bahan bakar. Sedangkan isotop 3H disebut sebagai Tritium mengandung 2 netron dan 1 proton dalam intinya dan bersifat radioaktif dan meluruh menjadi Helium-3 dengan memancarkan sinar beta. Sifat fisika dan kimia hidrogen dapat dilihat pada tabel 4 dan 5. Tabel 5. Sifat fisika hidrogen SIFAT FISIKA Fase Massa jenis Massa jenis cairan pada t.l. Titik lebur Titik didih Kalor peleburan Kalor penguapan
Gas (0 °C, 101.325 kPa) 0,08988 g/L 0.07 (0.0763 solid)g·cm−3 14,01 K, −259,14 °C, −434,45 °F 20,28 K, −252,87 °C, −423,17 °F (H2) 0,117 kJ·mol−1 (H2) 0,904 kJ·mol−1
Tabel 6. Sifat kimia hidrogen SIFAT KIMIA Panas Fusi Energi ionisasi Afinitas electron Jumlah kulit Biloks minimal Elektronegatifitas Konfigurasi electron jari-jari atom Struktur
0.117 KJ/mol H2 1312 KJ/mol 72,77 KJ/mol 1 -1 2.18 (skala Pauli) 1s1 25 pm hcp (hexagonal close packed)
3) Pembuatan gas hidrogen Ada beberapa metode pembuatan gas hidrogen yang telah kita kenal. Namun semua metode pembuatan tersebut prinsipnya sama, yaitu memisahkan
Hal
89
hidrogen dari unsur lain dalam senyawanya. Pembuatan gas hidrogen secara umum dibedakan menjadi skala laboratorium dan indusutri Skala Laboratorium a) Mereaksikan logam dengan asam seperti mereaksikan antara besi dengan asam sulfat.
Fe(s)
+
H2SO4(aq)
+ H2(g)
FeSO4(aq)
b) Mereaksikan kalsium hidrida dengan air.
CaH2(s)
+
Ca(OH)2(aq) +
2 H2O(l)
2 H2(g)
c) Elektrolisis air dengan menggunakan arus dengan voltase rendah dialirkan dalam air kemudian gas hidrogen akan terbentuk di katoda 2 H2O(l)
2 OH-(aq)
+
H2(g)
Skala industri a) Proses steam reforming Proses steam reforming gas alam merupakan proses yang paling maju dan paling banyak dipakai. Sampai saat ini diperkirakan sekitar 80% produksi hidrogen dunia, dipasok dengan produksi cara ini. Dalam proses ini .digunakan bahan baku hidrokarbon masih menjadi pilihan utama disebabkan dengan metode ini biasa dihasilkan hidrogen dalam jumlah yang melimpah. Produksi komersial hidrogen menggunakan proses steam reforming menggunakan metanol atau gas alam menghasilkan gas yang dikenal dengan syngas yaitu campuran gas CO dan H2
CH4(g) + H2O(g)
3 H2(g) +
CO(g)
+ 191,7 kJ/mol
Panas yang dibutuhkan oleh reaksi di atas diperoleh dari pembakaran beberapa bagian dar metana. Penambahan hasil hidrogen dapat diperoleh dengan menambahkan uap air ke dalam gas hasil reaksi yang dialirkan dalam reaktor bersuhu 130 C
CO(g)
+
H2O(g)
CO2(g)
+
H2(g)
- 40,4 kJ/mol
Reaksi yang terjadi adalah pengambilan oksigen dari molekul air oleh CO untuk menjadi CO2. Reaksi ini menghasilkan panas yang dapat dipakai untuk menjaga suhu reaktor. b) Pembuatan hidrogen melalui gasifikasi batubara Gasifikasi batubara merupakan metode pembuatan gas hidrogen tertua. Biaya produksinya hampir dua kali lipat dibandingkan dengan metode steam reforming
Hal
90
gas alam. Selain itu, cara ini pula menghasilkan emisi gas buang yang lebih signifikan. Karena selain CO2 juga dihasilkan senyawa sulfur dan karbon monoksida. Melalui cara ini, batubara pertama-tama dipanaskan pada suhu tinggi dalam sebuah reaktor untuk mengubahnya menjadi fasa gas. Selanjutnya, batubara direaksikan dengan steam dan oksigen, yang kemudian menghasilkan gas hidrogen, karbon monoksida dan karbon dioksida serta gas metana.
CO2
3C
+
2 O2
C
+
CO2
2CO
C
+
H2O
H2
C
+
2 H2
CH4
2CO
+
- 393,5 kJ/mol
+ 172.5 kJ/mol +
CO
+ 131,38 kJ/mol
- 74.8 kJ/mol
c) Pembuatan hidrogen melalui oksidasi parsial minyak residu Hidrogen dapat terbentuk melalui oksidasi parsial dari hidrokarbon seperti minyak residu. Hidrokarbon apa saja dapat dikompresi atau dipompa dalam teknologi ini. Namun, efisiensi keseluruhan proses ini adalah sekitar 50% dan diperlukan oksigen murni.
Secara umum reaksi Pembuatan hydrogen melalui oksidasi
parsial minyak residu dinyatakan sebagai berikut
CnHm
+
n/2 O2
+
n CO
m/2 H2
d) Pembuatan hidrogen melalui elektrolisa Hidrogen dapat dibuat dari proses elektrolisis air dengan menggunakan suplai energi yang dapat diperbaharuhi seperti energi listrik. Dengan cara elektrolisis maka produksi yang dijalankan tidak akan menghasilkan polusi. Proses elektrolisis menjadi salah satu proses yang memiliki nilai ekonomi yang murah dibandingkan dengan menggunakan bahan baku hidrokarbon. Salah satu teknik elektrolisis yang mendapatkan perhatian cukup tinggi adalah “elektrolisis dengan menggunakan tekanan tinggi” dalam teknik ini elektrolisis dijalankan untuk menghasilkan gas hydrogen dan oksigen dengan tekanan sekitar 120-200 Bar. Teknik lain adalah dengan dengan menggunakan “elektrolisis temperature tinggi” dengan teknik ini konsumsi energi untuk proses elektrolisis sangat rendah sehingga bisa meningkatkan efisiensi hingga 50%. Secara umum reaksi elektrolisis air menghasilkan gas hydrogen di katoda 2 H2O(l)
2 OH-(aq)
+
H2(g)
e) Pembuatan hidrogen melalui termokimia
Hal
91
Terdapat lebih dari 352 proses termokimia yang dapat dipakai untuk proses splitting atau termolisis dengan cara ini kita tidak membutuhkan arus listrik akan tetapi hanya sumber panas. Beberapa proses termokimia ini adalah CeO2/Ce2O3, Fe3O4/FeO, S-I, Ce-Cl, Fe,Cl dan lainnya. Sebagai contoh proses termokimia S-I digambarkan sebagai berikut
. Sumber http://web.stanford.edu
Gambar 2. Pembuatan hidrogen melalui termokimia Sulfur-Iodin Secara umum efisiensi proses produksi gas hidrogen dinyatakan sebagai berikut Tabel 7. Efisiensi produksi gas hidrogen Bahan Baku
Efisiensi
Status
Steam reforming gas alam
78,5%
Komersil
Gasifikasi batubara
68,2%
Komersil
Oksidasi parsial minyak residu
76,8%
-
Elektrolisis (air)
27%
Komersil
Termokimia (air)
< 50%
Litbang
4) Penggunaan Bahan Bakar Hidrogen Penggunaan bahan bakar hidrogen didominasi oleh penggunaan Fuel cell
Hal
92
yaitu suatu sistem elektrokimia yang mengubah energi kimia dari hidrogen dan oksigen langsung menjadi energi listrik. Keunggulan utama fuel cell dibandingkan pembangkit listrik konvensional adalah mempunyai efisiensi tinggi dari 40% sampai 60%, sedangkan untuk kogenerasi dapat mencapai 80%, tidak menimbulkan suara bising, konstruksinya modular sehingga fleksibel dalam menyesuaikan dengan sumber bahan bakar yang ada dan mampu menanggapi dengan cepat terhadap perubahan bahan bakar atau oksigen. Fuel cell dapat mengubah hidrogen dan oksigen menjadi listrik dan air. Hal ini sebagai alternatif menarik untuk menggantikan mesin pembakaran bahan bakar fosil dari sisi efisiensi, fleksibilitas, dan ramah lingkungan. Operasi dasar dari sebuah fuel cell yang digambarkan pada gambar berikut.
Sumber www.energystoragesense.com
Gambar 3. Fuel cell tunggal Fuel cell menghasilkan potensi listrik dengan efisiensi 60%, listrik dapat digunakan secara langsung atau con-dikonversi menjadi gerak, cahaya atau panas. Sebaliknya dalam mesin bensin, beroperasi dengan efisiensi sekitar 25% dan digunakan hampir secara eksklusif untuk memproduksi gerak.
f. Propelan Roket Propelan menurut KBBI adalah bahan yang dapat menggerakkan, umumnya meledak dengan daya yang tinggi. Itu adalah arti propelan secara umum, tetapi pada roket propelan didefinisikan sebagai bahan penggerak roket. Berbeda
Hal
93
dengan terminologi bahan bakar dalam bahasa Inggris yang disebut fuel seperti bensin,solar,avtur,batu bara,dan lain-lain disebut fuel. Namun,kebanyakan orang sering menyebut propelan dengan istilah mudahnya bahan bakar roket. Suatu reaksi pembakaran akan terjadi apabila ada bahan bakar (fuel), oksidator dan ignitor (penyalaan/api). Tanpa ketiganya, pembakaran tidak dapat berlangsung. Propelan adalah bahan bakar atau sumber tenaga suatu mesin roket. Bahan bakar tersebut terdiri dari bahan-bahan utama (fuel dan oksidator) serta bahan aditif, yang mengubah tenaga potensial yang dimiliki menjadi tenaga kinetik saat terjadinya reaksi pembakaran di dalam tabung roket. Tenaga kinetik ini berupa gaya dorong yang menggerakkan roket ke depan. Besarnya gaya dorong dipengaruhi
oleh
komposisi
komponen-komponen
penyusun
propelan.
Berdasarkan bentuknya, propelan terdiri dari dua macam, yaitu propelan padat dan propelan cair. Propelan padat terdiri dari propelan homogen dan propelan heterogen. Propelan homogen adalah propelan dimana tiap molekulnya sudah mengandung fuel dan oksidator yang cukup untuk terjadinya reaksi pembakaran. Sedangkan propelan heterogen yaitu propelan dengan fuel dan oksidator berada dalam keadaan terpisah dan baru bercampur dalam ruang pembakaran. Yang termasuk dalam propelan homogen adalah propelan double base. Salah satu contoh dari propelan heterogen adalah propelan padat komposit
1) Propelan Padat Sesuai namanya propelan padat adalah propelan yang berbentuk padat/solid. Propelan ini diaplikasikan pada peluru kendali balistik, missile pesawat tempur, solid rocket booster (SRB),dan lain-lain. Kelebihan propelan jenis ini adalah lebih mudah untuk disimpan dan kekurangan propelan jenis ini adalah unthrotlelable atau besar kecilnya thrust yang dihasilkan tidak mampu diatur dan memiliki impuls spesifik lebih kecil daripada propelan cair. Jadi ketika roket yang menggunakan propelan padat dinyalakan, thrustnya tidak bisa diatur sesuai keinginan, prinsip penggunaannya adalah nyalakan dan pasrah. Komponen utama penyusun propelan padat komposit adalah fuel , oksidator dan aditif.
a) Fuel Propelan padat komposit terdiri dari komponen cair (fuel) dan komponen padat (oksidator dan aditif). Agar fuel ini bisa memadat dan mengikat oksidator serta aditif, perlu ditambahkan suatu komponen cair lainnya yang dinamakan curing
Hal
94
agent. Pada dasarnya, perubahan fuel dari cair menjadi padat adalah suatu reaksi kimia, dimana molekul-molekulnya membentuk jaringan tiga dimensi. Reaksi pemadatan ini memerlukan waktu yang cukup lama sehingga komponen padat masih leluasa dicampurkan ke dalam fuel tersebut. Fuel yang digunakan biasanya dari jenis plastik, resin, atau elastomer. Fuel sering disebut sebagai fuel-binder karena mampu mengikat komponen padat. Sifat atau karakteristik dari
hasil
reaksi
antara fuel-binder dengan curing agent
ditentukan oleh
perbandingan atau rasio antara fuel-binder dengan curing agent dan nantinya akan sangat mempengaruhi sifat mekanik propelan yang dihasilkan. Masingmasing pasangan fuel-binder dengan curing
agent mempunyai rasio optimal
yang berbeda. Bahan-bahan yang sering digunakan sebagai fuel-binder pada pembuatan
propelan padat komposit adalah senyawa polibutadiena, polieter,
poliester, dan polipropilena. Curing agent yang banyak digunakan adalah IPDI (isoforon diisosianat), TDI (diisosianat toluena), MAPO (metoksida), dan EPON (epoxy epiklorohidrin bisphenol). b) Oksidator Oksidator berfungsi
sebagai
sumber oksigen. Syarat dari oksidator adalah
senyawa yang stabil serta mempunyai kandungan oksigen yang mencukupi untuk terjadinya reaksi pembakaran
dengan
panas
pembakaran
yang
maksimum. Beberapa contoh oksidator yang biasa digunakan Natrium dan Kalium Nitrat. Kedua bahan ini bersifat higroskopis dan menghasilkan asap yang
tebal
saat pembakaran propelan sehingga tidak banyak digunakan Amonium Nitrat Amonium Nitrat termasuk bahan yang mudah diperoleh dan cukup murah. Pada saat pembakaran propelan, asap yang ditimbulkan tidak banyak dan tidak beracun. Namun karena potensi
pengoksidasinya
impuls spesifik yang dihasilkan rendah, maka bahan banyak
rendah ini
sehingga juga
tidak
digunakan. Kelemahan lainnya, bahan ini mempunyai 5 bentuk
kristal dengan suhu transisi tertentu. Ada satu suhu transisi yang berada pada kisaran suhu kamar, yaitu 32,1 °C. Pada suhu transisi tersebut kristal amonium nitrat akan berubah bentuk dengan melakukan ekspansi yang cukup besar dan akibatnya batang propelan akan retak, Kalium dan Natrium Perklorat
Hal
95
Kedua bahan ini merupakan oksidator yang dipakai pertama kali untuk pembuatan propelan padat komposit karena potensi pengoksidasinya tinggi serta hanya memiliki satu bentuk kristal. Namun saat ini sudah tidak banyak dipakai karena pada pembakarannya menghasilkan asap yang tebal dan selalu menghasilkan HCl dan senyawa klorida lainnya yang bersifat sangat korosif dan beracun. Amonium Perklorat Berbeda dengan kalium dan natrium perklorat, bahan ini lebih stabil tidak menghasilkan potensi
asap
tebal
pengoksidasinya lebih
Perklorat, namun besar
yang
saat
kecil
karena hampir
pembakaran propelan. Walaupun
daripada
Kalium
tidak ada partikel
padat
dan
Natrium
dan
sebagian
berupa oksigen pada gas hasil pembakarannya makaoksidator ini
banyak digunakan untuk pembuatan propelan padat komposit.
c) BAHAN ADITIF Bahan aditif ditambahkan untuk meningkatkan kualitas propelan atau
untuk
memperoleh
tujuan
sifat
dan
karakteristik
propelan yang sesuai
penggunaannya. Berdasarkan fungsinya, bahan aditif dikelompokkan menjadi beberapa macam, yaitu Metal fuel Adanya metal fuel seperti alumunium, boron, magnesium, dan zirconium akan meningkatkan
performa
pembakaran
propelan. Metal
fuel
ini
berbentuk
bubuk yang halus dengan rasio luas permukaan terhadap volume yang sangat besar. Bonding agent/adhesive agent Bonding agent
dapat
dengan oksidator campuran
meningkatkan ikatan dan adesivitas antara fuel-binder
serta
meningkat
bahan
seria
padat
lainnya
dapat memperbaiki
sehingga homogenitas sifat
fisis
dan
balisuk
propelan. Contoh dari bonding agent adalah MAPO, metil-BAPO, TEA (tri etanol amin), TMP (tri metiol propana), tepanol, dan tepan. Plasticizer Dengan penambahan plasticizer, viskositas campuran propelan akan menurun dan waktu elastisitas
propelan
proses
bahan-bahan
pencampuran
semakin
lama
penyusun
sehingga mempermudah
propelan dan proses pen-
Hal
96
cetakan propelan. Namun, kelemahan plasticizer adalah kecenderungan molekul plasticizer untuk bermigrasi ke permukaan propelan yang dapat menurunkan adesivitas antara propelan dengan inhibitor. Bahan-bahan yang digunakan sebagai plasticizer antara lain DOP (dioktil ptalat), DOA (dioktil adipat), DOS (dioktil sebakat), DOZ (dioktil azelat), dan DBP (dibutill ptalat). Bunting rate modifier Burning rate modifier ada dua macam, yaitu (menurunkan kecepatan nitroguanidine
serta
pembakaran) yang
pembakaran) burning
terdiri
dari
burning
yang
rate accelerator ferrocene,
dan
terdiri
rate
suppressant
dari oxamide dan
(menaikkan
kecepatan
senyawa ferrocene seperti
catocene dan butacene . Propelan padat dibagi menjadi lima jenis yaitu Single Base, Double Base, Triple Base, Composite dan Composite Modified Double Base (CMDB).
a) Propelan padat single base Propelan padat single base adalah propelan padat yang menggunakan satu material dengan satu senyawa kimia yang bertindak sebagai fuel dan juga oxidizer. Propelan single base menggunakan nitrosellulosa (NC) sebagai bahan bakar atau propelan dari roket tersebut. Propelan single base memiliki sifat explosive rendah dibandingkan double base yang diberi nitrogliserin.
b) Propelan padat double base Propelan padat double base atau disebut propelan homogeneous adalah komposisi propelan yang terdiri dari oxidizer dan fuel secara kimiawi disatukan dan dibentuk menjadi struktur tunggal. Senyawa utama propelan ini salah satunya adalah nitrogliserin (NG)
dan nitrosellulosa (NC)
yang mana
nitrocellulose adalah senyawa yang digunakan pada komposisi single base propelan, tetapi lebih banyak digunakan pada amunisi senjata api.
c) Propelan padat triple base Propelan padat triple base yaitu propelan padat dengan tiga komposisi senyawa yaitu nitrogliserin (NG), nitrosellulosa (NC),dan nitroquanidin (NQ). Sifat propelan ini sama dengan double base. Letak perbedaannya adalah sifat explosive yang lebih tinggi karena ditambah senyawa nitroquanidin (NQ).
d) Propelan padat komposit
Hal
97
Propelan padat komposit atau disebut propelan heterogeneous adalah komposisi propelan dengan fuel dan oxidizer yang dicampur tetapi tidak memiliki ikatan antara keduanya atau disebut non uniform structure. Karena tidak memiliki ikatan, maka bahan penyusun propelan ini diikat dengan binder yang biasanya memiliki struktur hidrokarbon polymer seperti HTPB (Hydroxyl-terminated polybutadiene). HTPB pada komposisi propelan padat komposit memiliki fungsi untuk memproduksi energi ketika dibakar dengan oksidator dan mengikat partikel oksidator sebagai binder bersama dengan partikel lain untuk membentuk grain pada propelan.
e) Composite Modified Double Base (CMDB) Composite Modified Double Base (CMDB) yaitu propelan padat dengan nitroselulosa/nitrogliserin sebagai fuel-binder dan menambahkan amonium perklorat untuk mengurangi oksigen dalam pembakaran nitroselulosa serta meningkatkan impuls spesifik secara keseluruhan, dan penambahan sebuk aluminium meningkatkan impuls spesifik serta stabilitas pembakaran.
2) Propelan Cair Sesuai namanya propelan cair adalah propelan yang berbentuk cair. Propelan cair merupakan teknologi yang menjadi andalan dalam teknologi dan ekplorasi ruang angkasa. Propelan cair digolongkan menjadi mono dan bipropelan Monopropelan berbahan bakar senyawa tunggal seperti hidrazindimana akan terbakar tanpa membutuhkan oksigen eksternal (sudah memiliki oksigen cukup dari senyawa tersebut). Bahan bakar dan oksidator dalam sistem bipropelan ditempatkan dalam tangki yang terpisah. Kerosin atau dimetilhidrasin asimetris sering digunakan sebagai bahan bakar dan oksidator yang digunakan adalah asam nitrat atau dinitrogen tetraoksida. Propelan cair ini memiliki daya dorong yang lebih besar daripada roket padat. Kelebihan propelan ini adalah besar kecilnya thrust yang dihasilkan bisa diatur seperti kita memainkan gas pada motor, tetapi kelemahan propelan ini adalah biaya pembuatannya yang cukup mahal dan resiko ledakannnya tinggi. Propelan cair dibagi menjadi 8 jenis yaitu low
energy
monopropellants,
highenergy
monopropellants,
low
energy
bipropellants, medium energy bipropellants, high energy bipropellants, very energy bipropellants, super high energy bipropellants, dan cryogenic super high energy bipropellants.
Hal
98
a) Low Energy Monopropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam satu senyawa kimia. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 160-190. Contoh propelan ini adalah hidrazin, etilena oksida, hidrogen peroksida. b) High Energy Monopropellant adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam satu senyawa kimia yang memiliki energi tinggi. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 190-230. contoh propelan ini adalah nitometana. c) Low Energy Bipropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia dan memiliki energi rendah. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 200-230. Contoh propelan ini adalah perkloril flourida-uel,analine-asam,JP4-asam, dan hidrogen peroksida-JP4. d) Medium Energy Bipropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia yang memiliki energi sedang. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 230-260. Contoh propelan ini adalah asam hidrazin-ammonia-nitrogen tetraoksida. e) High Energy Bipropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia yang memiliki energi tinggi. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 260-270. contoh propelan ini adalah LOX-JP4, LOX-alkohol, hidrazin-klorin triflourida. f)
Very Energy Bipropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia yang memiliki energi sangat tinggi. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 270-330. Contoh propelan ini adalah : LOX-hidrazin,LOX-JP4-flourin dan LOX-JP4-ozon.
g) Super High Energy Bipropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia yang memiliki energi sangat tinggi. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 300-385. Contoh propelan ini adalah : flourin-ammonia dan ozon-hidrogen. h) Cryogenic Super High Energy Bipropellant adalah propelan cair yang oksidator dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia yang memiliki energi sangat tinggi dan propelan tersebut didinginkan hingga suhu minus dibawah 200 derajat celcius. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 380460. Contoh propelan ini adalah : LOX-LH2 dan flourin-H2.
Hal
99
D. Tugas E. Rangkuman
F. Umpan Balik Bandingkanlah hasil jawaban anda dengan kunci jawaban yang ada di bagian belakang modul ini. Hitunglah jumlah jawaban anda yang benar , gunakan rumus di bawah ini untuk mengetahui tingkat penguasaan anda terhadap materi kegiatan belajar 3. Rumus : Jumlah jawaban anda Tingkat penguasaan =
x
100%
10 Arti :Tingkat penguasaan 90 % s / d 100%
= baik sekali
80 % s / d 89 %
= Baik
70% s / d 79 %
= sedang
69 %
= kurang
Jika tingkat penguasaan anda mencapai 80 % ke atas berarti anda dapat meneruskan ke kegitan belajar selanjutnya . Tetapi bila tingkat penguasaan anda masih dibawah 80 % , anda harus mengulang kegiatan belajar ini , terutama bagian yang belum anda kuasai.
Hal
100
KEGIATAN PEMBELAJARAN 3 A. Tujuan Setelah menelaah kegiatan pembelajaran ini, pembaca diharapkan dapat;
B. Indikator
Hal
101
C. Uraian Materi
PEMBAKARAN BAHAN BAKAR a. Pembakaran Pembakaran (cumbustion) juga disebut juga sebagai chemical reaction (reaksi kimia) antara bahan bakar (fuel) dan oksidatormya (segala
sesuatu
yang
mengandung
oksigen).
Walaupun ada proses pencapuran bahan bakar dengan oksigen (sebagai oksidatornya), reaksi kimia tidak serta merta terjadi. Ada prasyarat lain yang harus dipenuh, yaitu sumber kalor dan banyak orang Sumber en.wikipedia.org
Gambar 4. Segitiga api
menyebutnya dengan api (flame), tetapi hal
itu
tidaklah tepat, karena api bukan satu-satunya yang dapat mereinisiasi reaksi kimia (pembakaran). Maka
yang lebih tepat adalah sumber kalor/panas (heat source). Proses reaksi kimia membutuhkan energi inisiasi (initial energy, activation energy), untuk memacu reaksi kimia itu sendiri. Jika proses reaksi kimia sudah terjadi, maka proses reaksi kimia itu akan menghasilkan kalor/panas yang akan digunakan sebagai pemicu proses reaksi kimia dari campuran bahan bakar dan oksidator yang belum terbakar. Selain kalor/panas dukungan enviromental yang baik sangat diperlukan, misalnya temperatur atau tekanan. Reaksi pembakaran sulit terjadi jika temperatur dan tekanan lingkungannya terlalu rendah. Syarat yang lain adalah campuran bahan bakar dan oksidator harus baik, artinya campuran bahan bakar dan oksidator sesuai, yaitu
tidak terlalu banyak bahan bakarnya (rich
mixture), atau terlalu sedikit bahan bakarnya (lean mixture). Jika campuran bahan bakar tersebut terlalu banyak atau sedikit, makan kalor dari campuran tersebut akan menjadi rendah, sehingga proses pembakaran sulit terjadi.
b. Proses Pembakaran Bahan Bakar 1) Reaksi Kimia. Di dalam setiap bahan bakar terdapat unsur yang mudah terbakar yaitu karbon, hidrogen dan sulfur, sehingga hanya ketiga unsur inilah yang banyak dibahas dalam persamaan reaksi pembakaran.
Hal
102
a. Pembakaran karbon Pada pembakaran karbon (zat arang) terjadi penyalaan bahan bakar karena adanya oksigen. Dari pembakaran tersebut dapat diperoleh dua hasil akhir yang berbeda, yaitu jika terdapat oksigen dalam jumlah yang cukup, maka karbon dapat
terbakar
seluruhnya.
Proses
pembakaran
semacam
ini
disebut
pembakaran sempurna. Reaksi pembakaran yang terjadi adalah sebagai berikut : C
CO2
O2
+
+ 372,7 MJ
Dari persamaan reaksi dapat diartikan setiap 12 kg (berat atom C dalam kg) bereaksi dengan 32 kg oksigen (berat molekul = 2 x berat atom), membentuk 44 kg karbondioksida (berat molekul CO2 = 12 kg C + 32 kg O2) dengan membebaskan kalor 372.7 MJ. Sehingga untuk pembakaran sempurna 1 kg karbon membebaskan kalor = 372.7/12 = 31.6 MJ. Jika tidak terdapat cukup oksigen, maka karbon tidak dapat terbakar seluruhnya. Proses pembakaran semacam ini disebut pembakaran tidak sempurna. Reaksi pembakaran yang terjadi adalah sebagai berikut :
2C
+
O2
2CO
+ 224,0 MJ
C
+
1/2 O2
CO
+ 112,0 MJ
Dari persamaan reaksi dapat diartikan untuk pembakaran tidak sempurna 1 kg karbon membebaskan kalor = 112.0/12 = 9.3 MJ. Reaksi pembakaran tidak sempurna menghasilkan produk berupa karbonmonoksida (CO), dimana gas CO tersebut bersifat racun dan dapat mencemari udara. Selain itu pembakaran tidak sempurna menghasilkan panas yang lebih sedikit dibandingkan pembakaran sempurna sekitar 70% panas yang hilang. Jadi, pembakaran tak sempurna dapat mengurangi efisiensi bahan bakar. Dengan demikian untuk menghindari terjadinya proses pembakaran tidak sempurna, maka harus benar-benar diperhitungkan mengenai komposisi bahan bakar (C, H, S) dengan oksigen (O2) supaya dapat meningkatkan efisiensi pembakaran. b. Pembakaran Hidrogen Hidrogen jika dibakar akan menghasilkan uap air, dengan reaksi sebagai berikut :
2 H2
+
O2
2 H2 O
+ 525,4 MJ
Seperti pada pembakaran karbon, hal ini dapat diartikan setiap pembakaran 1 kg hidrogen membebaskan kalor = 525,4/4 = 131,4 MJ
Hal
103
c. Pembakaran Sulfur Sulfur jika dibakar akan menghasilkan gas sulfurdioksida, dengan reaksi sebagai berikut
S
+
SO2
O2
+ 26,9 MJ
Seperti pada pembakaran hidrogen, hal ini dapat diartikan setiap pembakaran 1 kg sulfur membebaskan kalor = 26,9/32 = 0,8 MJ
2) Kebutuhan Udara Pembakaran Kita sudah membicarakan proses pembakaran bahan bakar dengan oksigen, tetapi untuk menggunakan oksigen murni secara praktis merupakan suatu yang sangat mahal. Dalam praktek kita menggunakan oksigen yang paling murah dan cukup banyak tersedia yaitu udara. Jika kita mengabaikan kandungan kecil dari gas-gas mulia yang ada dalam udara seperti : neon, xenon dan lain sebagainya, maka kita bisa menganggap udara kering sebagai campuran dari gas nitrogen dan oksigen. Kita bisa mengatur proporsi oksigen dan nitrogen dalam udara baik dalam satuan volume maupun dalam satuan berat dalam bentuk persentase, komposisinya adalah : Berdasarkan berat
: Oksigen = 23,2%; Nitrogen = 76,8%.
Berdasarkan volume : Oksigen = 21% ; Nitrogen = 79 %. Nitrogen dalam udara tidak turut bereaksi dalam proses reaksi pembakaran dan tidak mengalami perubahan. Selain membantu mendinginkan ruang bakar sehingga menurunkan temperatur sampai pada batas kemampuan metalurgi, maka secara umum kehadiran Nitrogen merupakan kerugian karena menipiskan (dilute)
oksigen serta dapat menghalangi kontak langsung antara molekul-
molekul oksigen dengan partikel bahan bakar.
a) Kebutuhan Udara Teoritis. Analisis pembakaran untuk menghitung kebutuhan udara teoritis dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu berdasarkan pada satuan berat dan berdasarkan pada satuan volume. Pada analisis pembakaran selalu diperlukan data-data berat molekul dan berat atom dari unsur-unsur yang terkandung dalam bahan bakar. Di bawah ini dapat dilihat mengenai berat atom dan molekul zat-zat dalam bahan bakar dalam tabel 8
Hal
104
Tabel 8. Berat atom dan molekul ZAT
SIMBOL
BERAT ATOM
BERAT MOLEKUL
Karbon Hidrogen Oksigen Nitrogen Sulfur Karbonmonoksida Karbondioksida Air
C H2 O2 N2 S CO CO2 H2O
12 1 16 14 32
2 32 28
12 + 16 = 28 12 + 32 = 44 2 + 16 = 18
Analis Pembakaran Berdasarkan Berat
Untuk menghitung kebutuhan teoritis yang diperlukan untuk membakar sempurna sejumlah bahan bakar tertentu, maka analisis ultimate terhadap bahan bakar harus dilaksanakan. Persamaan pembakaran untuk karbon adalah : Karbon
+
C
+
oksigen
karbondioksida CO2
O2
Dari tabel berat atom dan molekul di atas dapat dilihat bahwa :
12 kg atau 1 kg
+
32 kg
44 kg
+
2,66 kg
3,66 kg
Hal Ini berarti bahwa secara teoritis dibutuhkan 2,66 kg oksigen untuk membakar sempurna 1 kg karbon menjadi karbondioksida. Persamaan pembakaran untuk hidrogen adalah : hidrogen + 2 H2
oksigen
air 2 H 2O
O2
+
Dari tabel berat atom dan molekul dapat dilihat bahwa :
4 kg
+
32 kg
36
atau 1 kg
+
8 kg
9 kg
Hal ini berarti bahwa secara teoritis dibutuhkan 8 kg oksigen untuk membakar sempurna 1 kg hidrogen menjadi air. Persamaan pembakaran untuk sulfur adalah : sulfur
+
S
+
oksigen O2
sulfurdioksida SO2
Hal
105
Dari tabel berat atom dan molekul dapat dilihat bahwa :
32 kg atau 1 kg
+
32 kg
64
+
1 kg
2 kg
Hal Ini berarti bahwa secara teoritis dibutuhkan 1 kg oksigen untuk membakar sempurna 1 kg sulfur menjadi sulfurdioksida. Jka oksigen yang diperlukan untuk membakar masing-masing unsur pokok dalam bahan dihitung dan kemudian dijumlahkan, maka akan ditemukan kebutuhan oksigen teoritis yang diperlukan untuk membakar sempurna seluruh bahan bakar tersebut. Tetapi mengingat bahan bakar sendiri biasanya mengandung oksigen, maka oksigen ini akan dilepaskan selama proses pembakaran berlangsung dan akan bereaksi dengan unsur-unsur yang dapat terbakar di dalam bahan bakar. Oleh karena itu, untuk memperoleh harga kebutuhan oksigen teoritis yang sebenarnya, maka kebutuhan oksigen yang telah dihitung berdasarkan persamaan reaksi pembakaran seperti di atas harus dikurangi dengan oksigen yang terkandung di dalam bahan bakar. Oleh karena udara mempunyai kandungan 23,2% oksigen (persen berat), maka jumlah udara teoritis yang dibutuhkan untuk membakar sempurna 1 kg bahan bakar adalah :
Kebutuhan udara teoritis =
100 × Kebutuhan oksigen teoritis 23,2
dengan : Kebutuhan oksigen teoritis = ( O2 yang diperlukan oleh karbon + O2 yang diperlukan oleh hidrogen + O2 yang diperlukan oleh sulfur - O2 dalam bahan bakar) sehingga, Kebutuhan udara =
100 × O2 (untuk C) + O2 (untuk H2 ) + O2 (untuk S) - O2 (dari BB) 23,2
Contoh soal 4.1 Hitung kebutuhan udara teoritis (per kg bahan bakar) jika diketahui Analisis Ultimate sejenis batubara adalah sebagai berikut : karbon ( C ) 56,8% Hidrogen (H) 3,7% Nitrogen (N) 1,3% Sulfur (S) 2,0% Oksigen 7,0% Abu (ash) 16,7% Moisture 12,5% 100,0%
Hal
106
Jawab : Oksigen Minimal yang diperlukan untuk karbon : karbon yang ada dalam 1 kg bahan bakar = 0,568 kg .Jika 1 kg Karbon memerlukan 2,66 kg oksigen, maka 0,568 kg karbon memerlukan 2,66 x 0,568 = 1,515 kg Oksigen Minimal yang diperlukan untuk Hidrogen : Hidrogen yang terdapat dalam 1 kg bahan bakar = 0,037 kg . Jika 1 kg hidrogen memerlukan 8 kg oksigen, maka 0,037 kg hidrogen memerlukan : 8 x 0,037 = 0,296 kg . Oksigen Minimal yang diperlukan untuk Sulfur : Sulfur yang ada dalam 1 kg bahan bakar = 0,02 kg . Jika 1 kg Sulfur memerlukan 1 kg Oksigen, maka 0,02 kg Sulfur memerlukan : 1 x 0,02 = 0,02 kg . Nitrogen dan abu bukan merupakan unsur-unsur yang tak dapat terbakar sehingga tidak memerlukan Oksigen. Oksigen yang terdapat dalam 1 kg bahan bakar adalah 0,07 kg. Sehingga diperoleh : 100 Kebutuhan udara = × O2 (untuk C) + O2 (untuk H2 ) + O2 (untuk S) - O2 dari BB 23,2
100 × 1,515 + 0,296 + 0,02 - 0,07 23,2 = 7,59 kg udara tiap 1 kg bahan bakar
Kebutuhan udara teoritis =
Analisis Pembakaran Berdasarkan Volume.
Jika suatu analisis bahan bakar dinyatakan dalam persentase berdasar volume, maka suatu perhitungan yang serupa dengan perhitungan analisis berdasarkan berat bisa dilaksanakan untuk menentukan volume dari udara teoritis yang dibutuhkan. Untuk menentukan udara teoritis yang diperlukan, pertama-tama kita harus mengerti hukum dasar yang diperkenalkan seorang ilmuwan yang bernama Amedeo Avogadro dan disebut Hukum Avogadro. Hukum ini menyatakan : “Gas-gas dengan volume yang sama pada suhu dan tekanan standard (00C dan tekanan sebesar 1 bar) berisikan molekul-molekul dalam jumlah yang sama”. Dari hukum ini kita bisa menarik kesimpulan bahwa proporsi yang dinyatakan dengan jumlah molekul adalah juga proporsi berdasarkan volume. Karena itu, jika suatu gas A memiliki jumlah molekul 2 kali lebih banyak dibanding jumlah molekul pada gas B, maka gas A akan mempunyai volume 2 kali besar dari gas B. Sehingga untuk menyatakan persamaan reaksi pembakaran bahan bakar berdasarkan volume adalah sebagai berikut: Persamaan pembakaran untuk hidrogen adalah :
Hal
107
hidrogen + 2 H2
+
2 volume
oksigen
air 2 H2O
O2
2 volume
+ 1 volume
2 liter
+
1 liter
2 liter
atau 1 liter
+
0,5 liter
1 liter
Hal Ini berarti bahwa secara teoritis dibutuhkan 0,5
liter oksigen untuk
membakar sempurna 1 liter hidrogen menjadi air. Persamaan pembakaran untuk Methane (CH4) adalah : metana
+
oksigen
CH4
+
2 O2
1 volume 1 liter
+ +
2 volume 2 liter
karbondioksida
+
air
+
2 H2O
1 volume
+
1 liter
+
2 volume 2 liter
CO2
Hal Ini berarti bahwa secara teoritis dibutuhkan 2 liter oksigen untuk membakar sempurna 1 liter metana menjadi karbondiokisida dan air. Persamaan pembakaran untuk karbonmonoksida (CO) adalah :
karbonmonoksida + 2 CO
oksigen
karbondioksida
+
O2
2 CO2
1 volume
2 volume
2 liter
+ +
1 liter
2 liter
atau 1 liter
+
0,5 liter
1 liter
2 volume
Hal Ini berarti bahwa secara teoritis dibutuhkan 0,5 liter oksigen untuk membakar sempurna 1 liter karbonmonoksida menjadi karbondiokisida. Contoh Soal : Hitung kebutuhan udara pembakaran teoritis jika diketahui sampel gas alam mempunyai analisis volume sebagai berikut : Hidrogen Metane karbonmonoksida karbondioksida
15% 2% 21% 6%
Nitrogen
54%
Oksigen
2% 100%
Hal
108
Jawab : Oleh karena udara mempunyai kandungan 21% Oksigen (persen volume), maka jumlah udara teoritis yang dibutuhkan untuk membakar sempurna 1 liter bahan bakar adalah : Kebutuhan udara teoritis =
100 × Kebutuhan oksigen teoritis 21
dengan : Kebutuhan oksigen teoritis = (O2 yang diperlukan hidrogen + O2 yang diperlukan metane + O2 yang diperlukan karbonmonoksida - O2 dalam batubara ) Sehingga : Kebutuhan udara =
100 × O2 (untuk C) + O2 (untuk H2 ) + O2 (untuk S) - O2 (dari BB) 21
Oksigen teoritis yang diperlukan untuk hidrogen. Hidrogen yang terdapat dalam 1 liter bahan bakar = 0,15 liter. Jika 1 liter H2 memerlukan ½ liter O2, maka 0,15 liter H2 memerlukan O2 sebanyak = 0,15 x 0,5 = 0,075 liter O2.
Oksigen teoritis yang diperlukan untuk karbonmonoksida. Karbonmonoksida yang terdapat dalam 1 liter bahan bakar = 0,21 liter. Jika 1 liter CO memerlukan 0,5 liter O2, maka 0,21 liter CO memerlukan O2 sebanyak = 0,5 x 0,21 = 0,105 liter O2. Karbondioksida dan nitrogen tidak terbakar dan tidak memerlukan O2. Oksigen yang tedapat dalam bahan bakar 0,02 liter. Sehingga : 100 × O2 (untuk C) + O2 (untuk H2 ) + O2 (untuk S) - O2 (dari BB) 21 100 = × 0,075 + 0,04 + 0,105 - 0,02 21 100 = × 0,2 21 = 0,95 liter udara tiap 1 liter bahan bakar
Kebutuhan udara =
Sekarang kita sudah mengetahui bahwa kebutuhan udara minimal atau teoritis untuk pembakaran sempurna dapat dihitung baik dalam satuan berat maupun dalam satuan volume.
Hal
109
3) Udara Lebih (Excess AIR) Dalam proses pembakaran sulit untuk mendapatkan pencampuran yang memuaskan antara bahan bakar dengan udara pada proses pembakaran actual, udara perlu diberikan dalam jumlah berlebih untuk memastikan terjadinya pembakaran secara sempurna seluruh bahan bakar yang ada. Untuk memastikan bahwa pembakaran terjadi secara sempurna, ruang bakar harus mendapatkan
tambahan
udara
(excess
air).
Udara
berlebih
akan
meningkatkan jumlah oksigen dan kemungkinan terbakarnya seluruh bahan bakar. Saat seluruh bahan bakar dan oksigen di udara mencapai titik kesetimbangan, pembakaran dapat dikatakan mencapai stoikiometri. Secara teoritis, oksigen dan karbon monoksida tidak dapat muncul secara serempak dalam
gas
buang
tetapi
biasanya
keduanya
muncul
dalam
proses
pembakaran actual disebabkan oleh pencampuran tak sempurna. Apabila angka perbandingan
antara
udara
dan
bahan
bakar
aktual
diketahui,
maka
persentase kelebihan udara dapat dihitung. Persentase kelebihan udara ditentukan melalui persamaan % excess air =
Vol. pembakaran aktual - Vol. pembakaran teoritis × 100% Vol. udara teoritis
Contoh soal Tentukan nilai % excess air dari pembakaran bahan bakar berdasarkan data dari tabel berikut! Tabel Hasil Uji Ultimate Bahan Bakar Analisis
kg konstituen / kg fuel
C = 82 %
C = 0,82
H2 = 4 %
H2 = 0,04
O2 = 5 %
O2 = 0,05
S=1%
S = 0,01
N2 = 1 %
N2 = 0,01
H2O = 2 %
H2O = 0,02
Ash = 5 %
Ash = 0,05
Hal
110
Tabel analisis hasil pembakaran bahan bakar Analisis
m3 konstituen / m3 fuel
CO2 = 12 %
CO2 = 0,12
CO = 1 %
CO = 0,01
O2 = 7 %
O2 = 0,07
N2 = 80 %
N2 = 0,80
Tabel Volume Gas pada STP Gas
Volume pada STP (m3/kg)
H2
11,110
O2
0,702
N2
0,795
CO2
0,509
SO2
0,343
H2O
1,240
CO
0,800
CH4
1,400
udara
0,770
Jawab Kebutuhan udara teoritis
0,82 kg karbon memerlukan 0,82 x 2,66 kg O2 = 2,18 kg O2
0,04 kg hidrogen memerlukan 0,04 x 8 kg O2
= 0,32 kg O2
0,02 kg sulfur memerlukan 0,01 x 1 kg O2
= 0,01 kg O2
Total berat O2 yang diperlukan
= 2,51 kg
Berat O2 yang terdapat di dalam bahan bakar = 0,05 kg Berat O2 yang diambil dari udara Berat udara yang diperlukan = 2,46 ×
= 2,46 kg
100 23,2
Volume udara pada STP = 10,60 kg × 0,77
= 10,60 kg udara kg = 8,2 m3 m3
Hal
111
Volume gas hasil pembakaran
Nitrogen di dalam bahan bakar
= 0,01 kg
Nitrogen di dalam udara = 10,6 kg - 2,46 kg = 8,14 kg Nitrogen di dalam gas buang = 8,14 kg + 0,01 kg = 8,15 kg = 6,48 m3 (STP)
Berat CO2 yang dihasilkan = 0,82 3,66 = 3,00 kg = 1,53 m3 (STP)
Berat H2O yang dihasilkan = 0,04 9
= 0,36 kg
Berat H2O di dalam bahan bakar
= 0,02 kg
Total uap air dalam gas buang
= 0,38 kg = 0,47 m3 (STP)
Berat SO2 yang dihasilkan = 0,01 2
= 0,02 kg = 0,01 m3 (STP)
Total hasil pembakaran basah
= 11,55 kg = 8.49 m3 (STP)
Total hasil pembakaran kering
= 11,17 kg = 8.02 m3 (STP)
Persen volume CO2 hasil pembakaran kering
=
Volume gas aktual hasil pembakaran kering =
1,53 × 100 % = 19,08 % 8,02
=
CO2 (teoritis) × vol. gas hasil pembakaran kering (teoritis) CO2 +CO (aktual)
=
19.08 × 8,02 m3 = 11,77 m3 12 + 1
Excess air
V excess air = V hasil pembakaran aktual - V hasil pembakaran teoritis
= 11,77 - 8,02 = 3,75 m3
% excess air =
Vol. pembakaran aktual - Vol. pembakaran teoritis × 100% Vol. udara teoritis
% excess air =
3,75 × 100% = 45,7% 8,2
Hal
112
4) Pengaruh Udara Lebih (EXCESS AIR). Ada dua faktor kerugian yang muncul pada saat proses pembakaran bahan bakar yang dilakukan, yaitu jika jumlah udara (oksigen) kurang dari kebutuhan pembakaran, maka jumlah bahan bakar yang tidak terbakar akan semakin banyak sehingga terbuang sia-sia. Namun jika sebaliknya, jumlah oksigen semakin banyak yang ditandai dengan jumlah excess air juga semakin banyak, maka akan semakin banyak pula energi panas yang ikut terbuang keluar karena diserap oleh excess air tersebut. Kerugian yang kedua ini sering disebut dengan heat loss. Oleh karenanya perlu dicari kerugian total yang paling rendah. Untuk lebih memahami kerugian-kerugian dari proses pembakaran tersebut mari kita perhatikan gambar berikut.
Gambar 5. Proses Pembakaran 15% Excess Air dan 100% Excess Air Pada gambar di atas dengan diberikannya 15% udara lebih, kerugian karena pembakaran tak sempurna sekitar 2 % dan kerugian gas asap 1%, dengan penambahan 100% udara lebih, kerugian karena pembakaran tak sempurna sekitar 0,5% tetapi kerugian gas asap menjadi besar (40%). Jadi dengan naiknya
Hal
113
udara lebih, kerugian karena pembakaran tak sempurna turun tetapi kerugian karena panas yang dibawa oleh gas keluar bertambah.
5) Gas Buang a. Asap. Asap adalah merupakan material yang disebarkan melalui saluran pembakaran. Secara umum asap berwarna hitam yang keluar dari saluran pembakaran menunjukkan bahwa proses pembakaran
berlangsung kurang sempurna.
Penyebab terbentuknya asap yang berwarna hitam adalah sebagai berikut
Terbawanya debu dengan jumlah yang cukup banyak dalam gas asap.
Terdapat karbon yang tak terbakar pada gas asap dalam bentuk jelaga (soot).
Adanya gas-gas berwarna seperti SO2, NOx terutama pada saat pembakaran minyak.
Adanya uap volatile matter.
Asap yang keluar dari saluran pembakaran juga dapat berwarna hitam meskipun hanya mengandung sedikit karbon yang tak terbakar, bila ditinjau dari segi efisiensi hal ini sebenarnya dapat diabaikan. Sebaliknya, asap yang berwarna jernih secara umum menyatakan bahwa proses pembakaran berlangsung secara sempurna. Terutama pada proses pembakaran minyak. Asap yang jernih biasanya dapat diperoleh dengan cara menurunkan % CO2 pada suatu harga tertentu dimana udara lebih (excess air) berada sedikit di atas harga optimum. Selain berkaitan dengan masalah efisiensi, kepekatan asap juga berkaitan dengan masalah lingkungan. Pengukuran kepekatan asap dapat dilakukan dengan menggunakan kartu “Ringelmann” atau dengan menggunakan meter asap tipe photo cell. b. Persentase CO2 dan O2. Banyaknya persentase CO2 dan O2 dalam gas buang sangat mempengaruhi efisiensi dari pembakaran. Dengan menggunakan segitiga Ostwald, kita dapat menganalisa apakah pembakaran berlangsung secara sempurna atau tidak. Di bawah ini ditunjukkan cara penggunaan segitiga Ostwald.
Hal
114
Gambar 6. Diagram Segitiga Ostwald Sesuai dengan rumus perbandingan dalam segitiga sebangun diperoleh persamaan :
O2 CO 2 max - CO 2 = 0,21 CO 2 max Dari diagram dapat dijelaskan sebagai berikut :
Gas sisa pembakaran dinyatakan dalam persen volume.
CO2 max adalah angka teoritis maksimum yang dapat dicapai oleh bahan bakar yang kita pakai (tergantung dari jenis bahan bakarnya). Apabila komposisi bahan bakar diketahui (diperoleh dari analisa laboratorium), maka CO2 max dapat dihitung.
Garis horizontal menunjukkan bahwa dalam udara pembakaran terdapat 21 % (volume) Oksigen.
Garis AB menunjukkan titik-titik (sepanjang garis AB) dimana terjadi pembakaran sempurna (misalnya di titik P).
Titik-titik diluar garis AB (di sisi luar segitiga) adalah suatu hal yang tidak mungkin atau salah pengukuran.
Titik-titik di sebelah dalam garis AB (di dalam segitiga) menunjukkan pembakaran tidak sempurna.
Hal
115
6) Analisis Komposisi Gas Buang Orsat Apparatus merupakan suatu alat yang dipergunakan untuk mengukur dan menganalisa komposisi gas buang. Dalam Orsat Apparatus digunakan larutan yang dapat mengikat gas tersebut dengan kata lain gas yang diukur akan larut dalam larutan pengikat. Larutan tersebut berada dalam tiga tabung dengan masing– masing larutan tersebut berisi larutan kalium hidroksida KOH, larutan asam kalium pirogalik, dan larutan tembaga (II) klorida (CuCl2). Masing-masing larutan tersebut mempunyai fungsi yang berbeda seperti dinyatakan dalam persamaan reaksi berikut. Larutan pertama adalah larutan kalium hidroksida (250 g KOH dalam 500 mL air suling) yang berfungsi untuk
Sumber www.wacolab.com
Gambar 7. Orsat Aparatus
menangkap gas karbon dioksida. Reaksi yang terjadi
adalah :
2 KOH
+
CO2
K2CO3
+
H2O
Larutan kedua adalah larutan alkali dari asam pirogalat (25 g asam pirogalat + 200 g KOH in 500 mL of air distilasi) yang berfungsi menangkap gas oksigen. Reaksi yang terjadi adalah :
C6H3(OH)3 + 2 KOH (jenuh) + O2
4 H2O + 2 C5H3OCOOK
Larutan ketiga adalah larutan amoniakal dari tembaga klorida (100 g tembaga klorida + 125 mL ammonia cair + 375 mL air) untuk menangkap gas karbon monoksida. Reaksi yang terjadi adalah :
2 CuCl + 2 CO
dalam NH3(aq)
[CuCl(CO)]2
Hal
116
D. Aktifitas Pembelajaran Agar lebih memahami hasil pembakaran bahan bakar, anda dapat melakukan kegiatan praktikum berikut Analisis Gas Hasil Pembakaran Menggunakan Metode Orsat
a.
Tujuan
Menentukan kadar CO2, CO dan O2 dalam pembakaran bahan bakar
b.
Alat-alat yang digunakan
o
Seperangkat alat Orsat
Hal
117
c.
Bahan-bahan yang digunakan
o
Tabung I larutan kalium hidroksida (250 g KOH dalam 500 mL air suling)
o
Tabung II larutan alkali dari asam pirogalat (25 g asam pirogalat + 200 g KOH in 500 mL air suling)
o
Tabung III larutan amoniakal dari tembaga klorida (100 g tembaga klorida + 125 mL ammonia cair + 375 mL air suling)
o
Bahan bakar
o
Korek Api
d.
Prosedur Penggunaan Orsat Apparatus
1. Set ketiga tabung I, II, III pada ketinggian tertentu dengan membuka keran A, B, C dan mengatur tinggi larutan pada tabung I, II, III dengan menaik – turunkan gelas F, kemudian tutup keran A, B, C setelah didapatkan tinggi yang diinginkan. Posisi ini ditetapkan sebagai titik acuan. 2. Naikkan air yang ada pada tabung ukur E sampai ketinggian air mencapai 50 ml dengan cara membuka keran H dengan menaikkan gelas F. Setelah didapatkan tinggi yang diinginkan, tutuplah kembali keran H. 3. Ambil gas buang dari saluran gas buang untuk diukur, salurkan melalui selang yang dimasukkan ke dalam pipa H. 4. Buka keran H sehingga gas buang akan masuk dan mengakibatkan tinggi air yang ada di tabung ukur E akan berkurang. 5. Setelah tinggi air pada tabung ukur turun sebanyak 50 ml (sampai perubahan air mencapai angka 0) tutuplah keran H dan kita sudah memasukkan volume gas buang sebanyak 50 ml. 6. Untuk mengukur kandungan CO2 buka keran C supaya gas buang bereaksi dengan larutan yang ada pada tabung III dengan mengangkat dan menurunkan gelas F sebanyak 5 – 7 kali. 7. Setelah 5 – 7 kali kembalikan posisi larutan III ke posisi acuan pada saat set awal dan tutup keran C setelah didapatkan posisi yang diinginkan. 8. Baca kenaikan permukaan air yang ada pada tabung ukur E. Kenaikan permukaan air merupakan volume CO2 yang ada pada 50 ml gas buang yang kita ukur. 9. Untuk mengukur kandungan O2 dan CO ulangi langkah 6 dan langkah 7 untuk keran B dan keran A pada tabung II dan tabung I.
Hal
118
10. Baca kenaikan permukaan air pada tabung ukur C dengan acuan dari tinggi permukaan air sebelumnya
e.
Data Pengamatan Data pengamatan gas hasil pembakaran bahan bakar Nama
Percobaan
bahan
Volume
Volume
Volume
Volume
Sampel (mL)
CO2 (mL)
O2 (mL
CO (mL
bakar 1 2 3
f. Perhitungan Kadar CO2 =
Vol. CO2 × 100% Vol. Sampel
Kadar O2 =
Vol. O2 × 100% Vol. Sampel
Kadar CO =
Vol. CO × 100% Vol. Sampel
Hal
119
E. Tugas 1. Hasil Analisis volumetrik gas adalah: CO2 14%, CO 1%, O2 5% dan N2 80%. Hitunglah komposisi gas bahan bakar tersebut berdasarkan berat! 2. Hasil analisis gas mempunyai komposisi persen berdasarkan berat sebagai berikut: CO2 13,3%; CO 0,95%; O2 8,35% dan N2 77,4%. Hitunglah komposisi gas bahan bakar tersebut berdasarkan volume! 3. 20 kg C3H8 dibakar dengan 400 kg udara untuk menghasilkan 44 kg CO2 dan 12 kg CO. Berapa persen kelebihan udara? 4. Sebutkan larutan-larutan yang digunakan Dalam orsat apparatus serta jelaskan fungsinya?
Hal
120
F. Rangkuman 1.
Pembakaran (cumbustion) juga disebut juga sebagai chemical reaction (reaksi kimia) antara bahan bakar (fuel) dan oksidatormya (segala sesuatu yang mengandung oksigen)
2.
Kebutuhan udara pembakaran didefinisikan sebagai kebutuhan oksigen yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar secara sempurna.
3.
Kebutuhan udara teoritis dapat dihitung dengan persamaan berikut Kebutuhan udara teoritis =
4.
100 × Kebutuhan oksigen teoritis 21
Udara lebih (excess air) diperlukan agar pembakaran dapat berlangsung secara sempurna, dinyatakan dengan persamaan berikut: % excess air =
5.
Vol. aktual - Vol. teoritis × 100% Vol. udara teoritis
Asap adalah merupakan material dari gas buang yang disebarkan melalui saluran pembakaran. Secara umum asap berwarna hitam yang keluar dari saluran pembakaran menunjukkan bahwa proses pembakaran berlangsung kurang sempurna
6.
Orsat Apparatus merupakan suatu alat yang dipergunakan untuk mengukur dan menganalisa komposisi gas buang
Hal
121
G. Umpan Balik Bandingkanlah hasil jawaban anda dengan kunci jawaban yang ada di bagian belakang modul ini. Hitunglah jumlah jawaban anda yang benar , gunakan rumus di bawah ini untuk mengetahui tingkat penguasaan anda terhadap materi kegiatan belajar 5. Rumus : Jumlah jawaban anda Tingkat penguasaan =
x
100%
10 Arti :Tingkat penguasaan 90 % s / d 100%
= baik sekali
80 % s / d 89 %
= Baik
70% s / d 79 %
= sedang
69 %
= kurang
Jika tingkat penguasaan anda mencapai 80 % ke atas berarti anda dapat meneruskan ke kegitan belajar selanjutnya . Tetapi bila tingkat penguasaan anda masih di bawah 80 % , anda harus mengulang kegiatan belajar ini , terutama bagian yang belum anda kuasai.
Hal
122
KUNCI JAWABAN TUGAS Kunci Jawaban Kegiatan Belajar I 1. a. 3-etil-2,5,5-trimetilheptana b. 3-etil-2-metil-5-isopropil-2-oktena c. 3-metil-1,4-heptadiuna 2. Tuliskan struktur dari a. 2,2-dimetil-4-propiloktana
CH3 H3C
C
CH2
CH2
CH3
CH
CH2
CH2
CH3
CH2
CH2
CH2
CH2 CH2 CH3
b. 2,3-dimetil-2-heksena
H3C
C
C
CH2
CH2
CH3
CH3 CH3
c. 3-etil-2-heptena
H3C
HC
C
CH2
CH2
CH2
CH3
CH2 CH3 3. Selesaikan reaksi berikut a.
C4H10
+
Cl2
C4H9Cl
+_ HCl
Hal
123
b.
H3C
H2C
HC
CH2
H3C
+ Br2
CH2
CH
CH2
Br
Br
c.
H3C
H2C
HC
H2C
C
CH2
+
HBr
H3C
Br
H
CH2
CH
CH2
CH
CH2
Br
H
d.
H3C
CH + HBr
H3C
CH2
Kunci Jawaban Kegiatan Belajar IV 1. Kandung an gas
Volume dalam 1 m3 gas asap (a)
Berat molekul (b)
Berat proporsional (c)=(axb)
Berat dalam kg per kg gas asap (d)=(c)/ (c)
% berdasarkan Berat =dx100
CO2 CO O2
0,14 0,01 0,05
44 28 32
6,16 0,28 1,60
6,16/30,44=0,202 0,28/30,44=0,009 1,60/30,44=0,053
20,2% 0,9% 5,3%
N2
0,80
28
22,40
22,40/30,44=0,736
73,6%
Total
1,00
30,44
1,000
100,0
2. Kandungan Gas
% analsis berat (a)
Berat molekul (b)
Volume proporsional (c)=(a/b)
Volume dalam 1 m3 gas asap (d)=(c)/ (c)
% analisis Volumetric
CO2 CO O2
13,3 0,95 8,35
44 28 32
13,3/44=0,302 0,95/28=0,034 8,35/32=0,261
0,302/3,357=0,090 0,034/3,357=0,010 0,261/3,357=0,078
9,0 1,0 7,8
N2
77,40
28
77,4/28=2,76
2,76/3,357=0,822
82,2
(c)= 3,357
100,0
100,0
Total
100,0
Hal
124
3. Hidrogen dalam H2O hasil reaksi berasal dari C3H8. massa H dalam C3H8 = (8 Ar H)/(Mr C3H8) x 20kg = 8/44 x 20 kg = 3,64 g massa H2O hasil reaksi berdasarkan massa H = Mr H2O/ (2 Ar H) x 3,64 kg = 32,73 kg Input: C3H8 = 20 kg udara = 400 kg --------------------- + total . = 420 kg output : CO2 = 44 kg CO = 12 kg H2O = 32,73 kg inert = x kg ----------------- + total = (88,73 + x) kg Input = output 420 = 88,73 + x x = 331,27 kg kelebihan udara : = 331,27/400 x 100% = 82,82% 4. Larutan kalium hidroksida yang berfungsi untuk menangkap gas karbon dioksida, larutan alkali dari asam pirogalat yang berfungsi menangkap gas oksigen dan larutan amoniakal dari tembaga klorida untuk menangkap gas karbon monoksida
Hal
125
Evaluasi
GLOSARIUM Anion: ion bermuatan listrik negatif. Autokatalis: zat hasil reaksi yang bertindak sebagai katalis. Asam kuat: senyawa asam yang dalam larutannya terion seluruhnya menjadi ion-ionnya. Asam lemah: senyawa asam yang dalam larutannya hanya sedikit terionisasi menjadi ion-ionnya. Biner: senyawa yang terbentuk dari dua jenis unsur. Bentuk molekul: suatu gambaran geometris yang dihasilkan jika inti atom-atom terikat dihubungkan oleh garis lurus, berkaitan dengan susunan ruang atom-atom dalam molekul. Biokatalis: katalis yang bekerja pada proses metabolisme, yaitu enzim. Basa kuat: senyawa basa yang dalam larutannya terion seluruhnya menjadi ionionnya Basa lemah: senyawa basa yang dalam larutannya hanya sedikit terionisasi menjadi ion-ionnya. Disosiasi: penguraian suatu zat menjadi beberapa zat lain yang lebih sederhana. Derajat disosiasi: perbandingan antara jumlah mol yang terurai dengan jumlah mol mula-mula. Energi pengaktifan atau energi aktivasi: energi minimum yang yang diperlukan untuk berlangsungnya suatu reaksi. Fraksimol: perbandingan mol antara zat terlarut dengan jumlah mol semua komponen Hidrolisis: reaksi suatu ion dengan air. Hidrolisis garam: reaksi antara komponen garam yang berasal dari asam/basa lemah dengan air. Hidrolisis parsial: hidrolisis yang terjadi pada garam yang terbentuk dari asam kuat-basa lemah atau asam lemah-basa kuat.
Hal
126
Hidrolisis total: hidrolisis yang terjadi pada garam yang terbentuk dari asam lemah-basa lemah. Ikatan ion: ikatan kimia yang terjadi karena adanya serah-terima elektron dari atom logam ke atom nonlogam. Ikatan kovalen: ikatan kimia yang terjadi akibat pemakaian pasangan elektron secara bersama-sama oleh dua atau lebih atom nonlogam Ikatan kovalen koordinasi: ikatan kovalen di mana pasangan elektron yang dipakai bersama hanya berasal dari salah satu atom yang berikatan. Ion sisa asam: ion negatif yang terbentuk dari asam setelah melepaskan ion H+ dalam reaksi ionisasi. Kation: ion bermuatan listrik positif. Katalisator: zat yang dapat mempercepat tercapainya kesetimbangan, tetapi tidak merubah letak kesetimbangan (harga tetapan kesetimbangan Kc tetap). Laju reaksi: laju berkurangnya jumlah molaritas reaktan atau laju bertambahnya jumlah molaritas produk per satuan waktu. Molaritas: jumlah mol zat yang terlarut dalam satu liter larutan. Molalitas: jumlah mol zat yang terlarut dalam satu kilogram pelarut Normalitas: jumlah mol-ekivalen zat terlarut per liter larutan Orde reaksi atau tingkat reaksi: bilangan pangkat pada persamaan reaksi yang bersangkutan. Orde reaksi total: jumlah bilangan pangkat konsentrasi pereaksi-pereaksi. Part per million: massa zat terlarut (dalam mg) dalam 1000 mL larutan Persen massa: jumlah massa terlarut dibagi massa larutan dalam persen Penetralan: reaksi antara larutan asam dengan larutan basa menghasilkan garam dan air Persamaan laju reaksi: persamaan yang menyatakan hubungan antara konsentrasi pereaksi dengan laju reaksi. pH: bilangan yang menyatakan tingkat atau derajat keasaman suatu larutan. Reaksi reversibel: reaksi kimia yang dapat balik ( zat-zat produk dapat kembali menjadi zat-zat semula). Reaksi ireversibel: reaksi kimia yang tidak dapat balik (zat-zat hasil reaksi tidak dapat kembali lagi menjadi zat-zat semula). Reaksi endoterm: reaksi kimia yang membutuhkan/menyerap kalor.
Hal
127
Reaksi eksoterm: reaksi kimia yang melepaskan/membebaskan kalor. Titik akhir titrasi: titik dalam titrasi yang ditandai dengan perubahan warna indikator, di mana indikator yang layak untuk titrasi harus dipilih agar titik akhirnya sedekat mungkin dengan titik setara dari reaksi titrasi. Titik setara: kondisi yang menunjukkan penetralan asam oleh basa, dan sebaliknya. titik ekuivalen: kondisi di mana pada suatu titrasi, jika telah di campur jumlah ekuivalen yang sama dari pereaksi. Valensi asam: jumlah ion H+ yang dapat dihasilkan oleh 1 molekul asam dalam reaksi ionisasi.
DAFTAR PUSTAKA Chang, Raymond. 2003. General Chemistry: The Essential Concepts. Third Edition. Boston: Mc Graw -Hill. Day, R. A., dan Underwood, A. L. 2002. Analisis Kimia Kuantitatif. Edisi ke-6. Jakarta: Erlangga Effendi, Hefiai. 2003. Telaah Kualitas Air. Jogjakarta: Kanisius. Kementerian Negara Lingkungan Hidup. Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup No.03 Tahun 2010 Tentang Baku Mutu Air Limbah Bagi Kawasan Industri. Kotz, John C., Paul M. Treichel, dan Johnn R. Townsend. 2010 Chemistry and Chemical Reactivity. Seven Edition. Canada: Brooks/Cole. Mark, L. (2003), Dictionary of Chemist, Second Edition, New York : McGraw Hill Pohan, Martin. 2010. Mengenal Waste Water Treatment Plant. Kuliah Umum HIMATEK, Departemen Teknik Kimia USU. Subramanian, Thiru K, V. Rajendran, M. Govindarajan, R. Rajagopalan, A. Meera, C. Natarajan, dan K. Karunakaran. 2011. ENGINEERING CHEMISTRY: DIPLOMA COURSE IN ENGINEERING. First Edition. Government of Tamilnadu. Tro, Nivaldo J. 2008. Chemistry a Moleculer Approach. New Jersy: Person Education Inc.
Hal
128
Sumber dari Internet www.chemguide.com www.chemistry.about.com www.chem.duke.edu www.chem.ufl.edu www. chem-is-try.org www.foodc\hem-studio.com www.chemistrahmah.com www.fphoto.photoshelter.com www.highered.mheducation.com www.imgbuddy.com www.kisisehat.com www.merdeka.com www.nobelprize.com
Hal
129
Hal
130
