Pembakaran dan Karakteristik Bahan Bakar Cair Dionisius Andy Kristanto Jurusan Teknik Fisika ITS, Surabaya, email:
[email protected]
Abstrak- Bahan bakar fosil merupakan sumber bahan bakar yang paling banyak digunakan pada saat ini, sebagai penggerak dari mesin bakar alat-alat tranasportasi, maupun sebagai sumber bahan bakar dari berbagai industry sampai power plant. bahan bakar fosil memiliki karakteristik yang indentik, salah satunya adalah nilai kalor yang dapat dilepaskan (HHV), Pada praktikum kali ini dilakukan perhitungan untuk HHV dari tiga sumber bahan bakar, yaitu : bensin, spirtus dan solar. Dari hasil percobaan dan analisa data, diperoleh HHV dari tiap bahan bakar yaitu : bensin (31540.25 Kj/Kg), spirtus (6007.925 Kj/Kg) dan solar (34805.75 Kj/Kg). setelah itu dicari hubungan nya dengan efisiensi dan factor ekonomi, sehingga didapatkan bahwa untuk memanaskan air dari suhu 27 oC – 50 oC bahan bakar bensin sebagai bahan bakar paling murah dan efisien. Kata kunci : bensin , fosil , solar , methanol I. PENDAHULUAN Saat ini bahan bakar merupakan suatu hal yang sangat penting bagi kehidupan manusia. Salah satu bahan bakar yang banyak digunakan yaitu bahan bakar cair. Baik untuk menggerakkan mesin mesin pembakaran alat-alat transportasi, sebagai bahan bakar di berbagai industry, hingga untuk memanaskan boiler pada power plant.. Sebagian besar bahan bakar fosil, merupakan ikatan hidrokarbon jenuh yang memiliki kandungan karbon (C), hidrogen (H), dan oksigen (O). Selain ketiga unsur utama pembentuknya, bahan bakar juga memiliki kandungan unsur lain seperti sulfur, nitrogen, maupun unsur-unsur yang lain. Proses pembakaran yang terjadi pada bahan bakar tersebut merupakan reaksi yang terjadi antara unsur-unsur yang terkandng dalam bahan bakar dengan oksigen. Pada percobaan ini dilakukan perhitungan untuk menentukan karakteristik yaitu HHV dari beberapa bahan bakar cair, dan analisa terhadap efisiensi sistem bahan bakar menggunakan bahan bakar cair dan juga untuk menganalisis energi yang dihasilkan bahan bakar cair dari aspek ekonomi. 1.1 Bahan Bakar Bahan bakar adalah suatu materi apapun yang bisa diubah menjadi energi. Biasanya bahan bakar mengandung energi panas yang dapat dilepaskan dan dimanipulasi. Kebanyakan bahan bakar digunakan manusia melalui proses pembakaran (reaksi redoks) dimana 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). Berdasarkan wujudnya, bahan bakar dibedakan menjadi bahan bakar cair, padat, dan gas. 1.2 Bahan Bakar Cair 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. Minyak bumi adalah campuran berbagai hidrokarbon yang termasuk dalam kelompok senyawa: parafin, naphtena, olefin, dan aromatik. Kelompok senyawa ini berbeda dari yang lain dalam kandungan hidrogennya. Minyak mentah, jika disuling akan menghasilkan beberapa macam fraksi, seperti: bensin atau premium, kerosen atau minyak tanah, minyak solar, minyak bakar, dan lain-lain. Setiap minyak petroleum mentah mengandung keempat kelompok senyawa tersebut, tetapi perbandingannya berbeda. 1.3 Karakteristik Bahan Bakar Cair Proses pembakaran adalah reaksi antara unsur-unsur yang terkandung dalam bahan bakar dengan oksigen. Hasil dari proses pembakaran ini akan menghasilkan kalor dan cahaya. Reaksi pembakaran dari bahan bakar minyak dituliskan:
Karakteristik bahan bakar cair adalah sebagai berikut: Densitas Densitas didefinisikan sebagai perbandingan massa bahan o bakar terhadap volum bahan bakar dengan acuan 25 C. Dimana densitas ini sangat berpengaruh paa perhitungan kuantiitatif dan pengkajian kualitas penyalaan. Specific Gravity Specific gravity adalah perbandingan berat sejumlah volum minyak bakar terhadap berat air untuk volum yang sama pada suhu tertentu. Dimana nilai specific gravity dari air ditentukan sama dengan 1. Viskositas Merupakan ukuran ukuran resistansi bahan terhadap aliran. Viskositas mempengaruhi derajat pemanasan awal yang diperlukan untuk handling, penyimpanan dan atomisasi yang memenuhi kriteria. Titik nyala
Titik nyala suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar dapat dipanaskan sehingga uap mengeluarkan nyala sebentar bila dilewatkan suatu nyala api. Titik tuang Titik tuang suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar akan tertuang atau mengalir bila didinginkan dibawah kondisi yang sudah ditentukan. Ini merupakan indikasi kasar untuk suhu terendah dimana bahan bakar minyak siap untuk dipompakan. Nilai kalor Nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung menurut persamaan milik Dulong & Petit pada persamaan 1.1:
Dimana C adalah persentase unsur Karbon, H2 adalah persentase unsur hidrogen, S adalah persentase unsur sulfur, dan O2 adalah persentase unsur oksigen. Sedangkan nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 1.2 di bawah ini
Kadar Abu (Ash) Pengujian kadar abu menggunakan cawan dan timbangan digital. Untuk mendapatkan nilai kadar abu, maka dapat digunakan persamaan 2.3 berikut,
dimana, C = berat abu/residu (gr) dan A = berat bahan sebelum pengabuan (gr). Umumnya, kadar abu berada pada kisaran 0,03 – 0,07 %. Abu yang berlebihan dalam bahan bakar cair dapat menyebabkan pengendapan kotoran pada peralatan pembakaran. Kadar Air (Moisture) Kadar air menunjukkan banyaknya massa air dalam sebuah massa bahan bakar. Kadar air minyak tungku/furnace pada saat pemasokan umumnya sangat rendah sebab produk disuling dalam kondisi panas. Batas maksimum 1% ditentukan sebagai standar. II. METODOLOGI PERCOBAAN Dalam bagian ini akan dijelaskan mengenai peralatan dan bahan serta langkah-langkah dalam praktikum 1 ini. 2.1 Peralatan Peralatan yang digunakan dalam praktikum P-1 adalah sebagai berikut : a. Tungku bakar b. Thermometer raksa c. Cawan minyak d. Breaker glass e. Timbangan massa digital
f. g. h. i.
Stopwatch Bensin Spiritus Solar
2.2
Prosedur Praktikum a. Peralatan dan bahan disiapkan b. Massa bahan bakar spiritus ditimbang dengan timbangan digital dan dicatat pada tabel 1.1 hingga akhirnya diletakkan pada cawan minyak tungku bakar. c. Gelas ukur berisi air ditimbang dengan timbangan digital dan dicatat pada tabel 1.1 d. Api pada cawan minyak dinyalakan e. Air dipanaskan di atas tungku minyak hingga temperature air naik sebesar ΔT f. Api dimatikan ketika suhu telah mencapai 50oC g. Langkah a-f diulang kembali untuk bahan bakar yang berbeda
2.3
Prosedur Pengolahan Data a. Dihitung panas Qair yang diterima oleh m kg air untuk perubahan temperatur ∆T pada penggunaan bahan bakar b. Dihitung nilai kalor bakar untuk mB1 kg dengan menggunakan hubungan persamaan nomor 1.1. c. Dihitung efisiensi pembakaran dengan persamaan 1.4 berikut
d.
e.
(1.4) Dilakukan perhitungan yang sama seperti pada langkah 1) – 3) untuk penggunaan bahan bakar lain kemudian melakukan analisis terhadap karakteristik bahan bakar cair yang telah dihitung dari masingmasing percobaan menggunakan varisasi jenis bahan bakar. Dihitung harga energi yang dibutuhkan dalam Rupiah dan melakukan analisis dengan melihat perbedaan harga energi dari variasi bahan bakar. III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
A. Analisa Data Berdasarkan hasil eksperimen yang telah dilakukan,didapatkan hasil analisa data sebagai berikut : Tabel 1 Hasil Pembakaran Bahan Bakar Cair Bahan m1 m2 Δm T1 T2 Bakar (kg) (kg) (kg) (°C) (°C) Bensin 0,174 0,172 0.002 27 50 Solar 0,244 0,241 0.003 28 50 Spirtus 0,181 0,178 0.003 28 50
Qair yang diterima air dengan perubahan temperature awal T1=27 oC dan 28 oC, serta T2=50oC.
dibutuhkan untuk memanaskan air dari suhu 27 dan 28 derajat celcius hingga 50 derajat celcius. Tabel 3 Harga Bahan Bakar per Liter No. Bahan Bakar Harga (Rp) / Liter 1 Bensin 7400 2 Spirtus 16000 3 Solar 6900
HHV dari ketiga jenis bahan bakar cair yang dipakai dapat dilihat dari tabel 2, yang mengacu pada standar yang telah ditetapkan, sedangakan LHV didapat dari perhitungan dengan persamaan 1.2. Tabel 2 Nilai HHV dan LHV Bahan bakar
HHV (kj/kg)
LHV (kj/kg)
Bensin
47300
44060
Solar
45575
42335
Spiritus
23000
19760
Dari tabel 1 dan tabel 2, didapatkan efisiensi dari masingmasing bahan bakar cair sebagai berikut. 1.
Efisiensi Bensin
η= η= η = 0,102 η = 0,102 x 100 % = 10.2 % 2.
Efisiensi Solar
η= η= η = 0.067 η = 0,067 x 100 % = 6.75 % 3.
Efisiensi Spirtus
η= η= η = 0.133 x 100 % = 13.3 % Setelah dilakukan perhitungan efisiensi dari tiap tipa bahan bakar, berikut nya dilakukan analisa ekonomi, atau biaya yang
Dengan menggunakan data selisih berat sebelum dan sesudah pemanasan yang terdapat pada tabel 1, maka dapat dicari volume yang terpakai untuk memanaskan air, sehingga jika diketahui harga tiap-tiap bahan bakar per liter maka dapat dihitung harga yang diperlukan untuk memaskan air yaitu pada tabel berikut.
No. 1 2 3
Tabel 4 Biaya yang dibutuhkan Harga Bahan Density Volume (Rp) / Bakar (kg/m3) terpakai Liter Bensin 7400 742 2,69 x 10-3 Spirtus 16000 794.4 3,77 x 10-3 Solar 6900 838.7 3,57 x 10-3
Biaya Rp19.9 Rp 60.4 Rp 24.6
B. Pembahasan Pada Praktikum kali ini, diperoleh data berupa selisih massa bahan bakar cair setelah digunakan. Selisih massa inilah yang digunakan untuk menentukan efisiensi bahan bakar cair. Untuk memanaskan air dari suhu awal yaitu 27 oC dan 28 oC hingga 50 oC. Selisih massa dan HHV akan menentukan efisiensi dari bahan bakar cair. Dari data diperoleh efisiensi bensin, solar, spiritus berturut-turut sebesar 10,2%, 6,75%, dan 13,3%. Efisiensi terbesar dimiliki oleh spirtus. Efisiensi bensin dan solar lebih besar bensin. Hal ini ditandai pembakaran pada bensin menghasilkan asap hitam yang banyak. Asam hitam dianggap sebagai residu. Bahan bakar yang paling efisien adalah bahan bakar yang paling efisien didapatkan dari panas yang tinggi tetapi menghabiskan sedikit bahan bakar (∆m sedikit). Dengan efisiensi yang tinggi, bahan bakar spiritus banyak digunakan untuk bahan sintesis pembuatan alcohol, zat aditif untuk peningkatan nilai oktan pada bensin. Sedangkan dari segi ekonomi, besarnya biaya operasional dari sistem pembakaran ini yautu pemanasa air dengan suhu awal antara 27 oC dan 28 oC hingga 50 oC dengan bahan bakar solar sbesar Rp. 24.6, bahan bakar spiritus sebesar Rp. 60.4, dan bahan bakar bensin sebesar Rp. 19.6. Dari data tersebut sistem pembakaran dengan bahan bakar spiritus memiliki biaya operasional paling mahal. Hal ini dikarenakan spirtus memiliki harga perliter yang paling mahal diantara ketiga bahan bakar trsebut, yaitu Rp 16.000,-. sehingga spirtus lebih cocok digunakan sebagai campuran atau zat aditif misalnya untuk peningkatan nilai oktan pada bensin. Dari pada sebagai bahan bakar utama.
IV. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari praktikum ini adalah sebagai berikut : HHV merupakan salahsatu karakteristik dari bahan bakar, dimana tiap tiap bahan bakar memiliki HHV yang berbeda. Selisih masa awal dan akhir dari suatu bahan bakar dan nilai HHV akan mempengaruri efisiensi dari bahan bakar Spiritus memiliki efisiensi yang paling tinggi. Efisiensi ini dilihat dari asap pembakaran yang dihasilkan. Spirtus lebih sedikit asap atau residunya. besarnya biaya operasional dari sistem pembakaran ini yautu pemanasa air dengan suhu awal antara 27 oC dan 28 oC hingga 50 oC dengan bahan bakar solar sbesar Rp. 24.6, bahan bakar spiritus sebesar Rp. 60.4, dan bahan bakar V. REFERENSI Asisten Lakone, 2015. “Pembakaran dan Karakteristik Bahan Bakar Cair”. Lakone, Jurusan Teknik Fisika, FTI-ITS. Surabaya. http://www.engineeringtoolbox.com/fuels-higher-calorificvalues-d_169.html diakses pada Selasa, 27 April 2015
