Kalkulator Analisis Pembakaran

Kalkulator analisis pembakaran menentukan persamaan kimia setara, rasio udara-bahan bakar, dan panas yang dilepaskan saat bahan bakar terbakar. Kalkulator ini bekerja untuk bahan bakar umum seperti metana, propana, dan oktana, serta bahan bakar hidrokarbon khusus yang dimasukkan atom demi atom.

Cara menggunakan kalkulator analisis pembakaran

1. Pilih jenis bahan bakar, seperti metana atau propana, atau pilih "khusus" lalu masukkan jumlah atom karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen dalam molekul bahan bakar.
2. Untuk bahan bakar khusus, masukkan juga entalpi pembentukan standarnya dalam kJ/mol. Nilai ini negatif untuk sebagian besar bahan bakar: metana adalah −74,8 dan propana −103,8. Gunakan nilai untuk fase bahan bakar tersebut, seperti −234,8 untuk uap etanol atau −277,0 untuk etanol cair. Unsur dalam keadaan standarnya, seperti gas hidrogen atau karbon, bernilai 0.
3. Pilih pengoksidasi: udara (21% oksigen, 79% nitrogen berdasarkan volume) atau oksigen murni.
4. Tetapkan persentase berlebih. Gunakan 0% untuk campuran stoikiometri yang tepat, atau angka yang lebih tinggi untuk menambahkan pengoksidasi ekstra. Kolom ini berlabel "Udara Berlebih" untuk udara dan "Oksigen Berlebih" untuk oksigen murni.
5. Baca hasilnya: persamaan setara, rasio massa pengoksidasi terhadap bahan bakar, panas yang dilepaskan per mol dan per kilogram bahan bakar, serta bagian massa setiap gas produk.

Jika udara dipilih, rasionya diberi label "Rasio Udara-Bahan Bakar". Dengan oksigen murni, tidak ada udara dalam campuran, sehingga hasil yang sama diberi label "Rasio Pengoksidasi-Bahan Bakar". Rumus bahan bakar ditulis menurut urutan Hill: karbon terlebih dahulu, hidrogen kedua, lalu unsur lainnya, sehingga bahan bakar khusus dengan satu atom karbon, dua atom hidrogen, dan dua atom oksigen ditulis sebagai CH₂O₂.

Apa itu pembakaran?

Pembakaran adalah reaksi kimia antara bahan bakar dan pengoksidasi, biasanya oksigen, yang melepaskan panas. Dalam pembakaran sempurna, bahan bakar hidrokarbon (molekul yang tersusun dari karbon dan hidrogen) bereaksi dengan oksigen yang cukup untuk hanya membentuk karbon dioksida (CO₂) dan air (H₂O). Jika oksigen tidak cukup, reaksinya tidak sempurna dan juga menghasilkan karbon monoksida (CO), jelaga, serta bahan bakar yang tidak terbakar.

Rumus oksigen stoikiometri

Untuk bahan bakar dengan rumus CₓHᵧOᵤ, mol oksigen (O₂) yang diperlukan untuk pembakaran sempurna adalah:

$n(\mathrm{O_2}) = x + \frac{y}{4} - \frac{z}{2}$

Di sini, x adalah jumlah atom karbon, y jumlah atom hidrogen, dan z jumlah atom oksigen yang sudah ada dalam bahan bakar. Persamaan setaranya adalah:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Cara menghitung rasio udara-bahan bakar

Rasio udara-bahan bakar (AFR) adalah massa udara dibagi massa bahan bakar yang diperlukan untuk pembakaran sempurna. Untuk menentukannya:

1. Hitung mol stoikiometri O₂ dari rumus di atas.
2. Jika pengoksidasinya adalah udara, tentukan mol N₂ yang sesuai menggunakan rasio udara 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Ubah kedua gas menjadi massa menggunakan massa molarnya (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol), lalu jumlahkan untuk memperoleh massa udara.
4. Bagi massa udara dengan massa molar bahan bakar.

Contoh perhitungan: metana

Metana (CH₄) memiliki satu atom karbon dan empat atom hidrogen, sehingga memerlukan n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol oksigen per mol bahan bakar:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Dengan udara sebagai pengoksidasi, 2 mol O₂ membawa 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol N₂. Massa udara adalah (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. Massa molar metana sekitar 16,04 g/mol, sehingga rasio udara-bahan bakarnya adalah 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 banding 1 berdasarkan massa.

Panas pembakaran

Panas pembakaran adalah energi yang dilepaskan per mol atau per kilogram bahan bakar yang dibakar. Nilai ini dihitung dengan hukum Hess, menggunakan entalpi pembentukan standar setiap zat:

$Q = 393.5 \times x + 241.8 \times \frac{y}{2} + \Delta H_f$

Q adalah panas yang dilepaskan per mol bahan bakar, dalam kJ/mol, dan ΔHf adalah entalpi pembentukan standar bahan bakar.

Nilai 393,5 dan 241,8 kJ/mol berasal dari entalpi pembentukan CO₂ dan uap air. Karena air dihitung sebagai uap, bukan cairan, nilai ini memberikan nilai kalor bawah (LHV), bukan nilai kalor atas (HHV). HHV lebih besar karena juga menghitung panas yang dilepaskan saat uap air mengembun menjadi cairan, yang tidak terjadi di dalam sebagian besar peralatan pembakaran.

Untuk metana, ΔHf = −74,8 kJ/mol, sehingga panas yang dilepaskan adalah 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Jika dibagi dengan massa molar metana (16,04 g/mol), hasilnya sekitar 50,0 MJ/kg.

Panas yang dilepaskan tetap sama, apa pun pengoksidasinya dan berapa pun udara berlebih yang digunakan, karena panas tersebut dihitung per mol bahan bakar. Udara berlebih mengubah suhu nyala dan komposisi gas buang, bukan energi yang tersimpan dalam bahan bakar.

Bahan bakar umum

Metana adalah komponen utama gas alam. Propana dan butana digunakan untuk pemanasan, memasak, dan kompor portabel. Oktana digunakan sebagai pengganti bensin dalam perhitungan ini, meskipun bensin sebenarnya merupakan campuran banyak hidrokarbon dan AFR stoikiometrinya sendiri biasanya dinyatakan sekitar 14,7:1.

Udara berlebih dan efisiensi pembakaran

Udara berlebih adalah udara tambahan yang ditambahkan melampaui jumlah stoikiometri, dan dinyatakan sebagai persentase. Pembakar nyata jarang beroperasi tepat pada udara berlebih 0%, karena pencampuran yang tidak sempurna dapat menyisakan bahan bakar yang tidak terbakar.

• Pada udara berlebih 0%, campuran tepat secara stoikiometri. Kondisi ini menghasilkan suhu nyala tertinggi, tetapi berisiko menyebabkan pembakaran tidak sempurna jika pencampurannya tidak sempurna.
• Sebagian besar pembakar beroperasi dengan udara berlebih 10–20%, yang membakar seluruh bahan bakar dengan andal sekaligus hanya membuang sedikit panas.
• Udara berlebih di atas 50% semakin menurunkan efisiensi, karena nitrogen dan oksigen tambahan menyerap panas lalu keluar bersama gas buang. Kondisi ini juga menurunkan suhu nyala, yang dapat mengurangi pembentukan nitrogen oksida (NOx).

Faktor yang memengaruhi reaksi pembakaran

Komposisi bahan bakar. Bahan bakar dengan rasio karbon terhadap hidrogen yang lebih tinggi melepaskan lebih sedikit energi per kilogram dan menghasilkan lebih banyak CO₂ untuk keluaran energi yang sama.

Pemilihan pengoksidasi. Udara mengencerkan reaksi dengan nitrogen, sehingga menurunkan suhu nyala dibandingkan oksigen murni. Pembakaran dengan oksigen murni menghasilkan suhu yang lebih tinggi, tetapi dapat menghasilkan lebih banyak nitrogen oksida jika nitrogen terdapat dalam bahan bakar atau masuk melalui kebocoran udara.

Nitrogen yang terikat dalam bahan bakar. Atom nitrogen dalam bahan bakar dihitung sebagai atom dan keluar sebagai molekul N₂, sehingga dua atom nitrogen dalam bahan bakar menambahkan satu mol N₂ ke produk.

Pencampuran. Bahan bakar dan pengoksidasi harus tercampur dengan baik agar reaksi berlangsung sempurna. Bagian yang terlalu kaya bahan bakar atau terlalu miskin bahan bakar akan terbakar tidak sempurna, meskipun campuran secara keseluruhan sudah benar secara rata-rata.

Penggunaan analisis pembakaran

Insinyur menggunakan perhitungan ini untuk merancang mesin mobil dan pesawat, menyetel tungku dan ketel industri, serta menentukan ukuran sistem pemanas rumah. Insinyur lingkungan menggunakan persamaan setara yang sama untuk memperkirakan keluaran CO₂ dan NOx dalam pelaporan emisi.

Pertanyaan yang sering diajukan

Apa perbedaan antara pembakaran sempurna dan tidak sempurna? Pembakaran sempurna terjadi ketika oksigen cukup untuk mengubah seluruh bahan bakar menjadi CO₂ dan air. Pembakaran tidak sempurna terjadi ketika oksigen tidak mencukupi, sehingga menghasilkan karbon monoksida, jelaga, dan bahan bakar yang tidak terbakar.

Mengapa sistem pembakaran menggunakan udara berlebih? Udara tambahan memastikan setiap bagian bahan bakar bertemu dengan oksigen yang cukup, bahkan ketika pencampuran tidak sempurna. Sebagian besar sistem beroperasi dengan udara berlebih sekitar 10–20% untuk menghindari pembentukan karbon monoksida.

Bagaimana rasio udara-bahan bakar dihitung? Tentukan mol O₂ yang diperlukan dari rumus bahan bakar, tambahkan N₂ yang sesuai jika pengoksidasinya adalah udara, ubah keduanya menjadi massa, lalu bagi total massa udara dengan massa bahan bakar. Metana memerlukan sekitar 17,1 kg udara per kilogram bahan bakar.

Apa perbedaan antara nilai kalor atas dan bawah? Nilai kalor bawah (LHV) mengasumsikan air yang dihasilkan tetap berupa uap. Nilai kalor atas (HHV) mengasumsikan air mengembun kembali menjadi cairan dan melepaskan panas tambahan. Kalkulator ini melaporkan LHV, karena sebagian besar peralatan pembakaran membiarkan uap air keluar sebagai gas buang, bukan mengembunkannya.

Apa itu pembakaran stoikiometri? Pembakaran stoikiometri adalah campuran bahan bakar dan pengoksidasi yang tepat, tanpa sisa bahan bakar atau oksigen dalam produk. Udara yang melebihi jumlah ini disebut udara berlebih; udara yang kurang dari jumlah ini menghasilkan campuran kaya bahan bakar.

Apakah komposisi bahan bakar memengaruhi gas buang? Ya. Lebih banyak hidrogen dalam bahan bakar berarti lebih banyak uap air dalam gas buang. Lebih banyak karbon berarti lebih banyak CO₂. Bahan bakar yang mengandung nitrogen atau sulfur juga dapat menghasilkan nitrogen oksida atau sulfur dioksida saat terbakar.