KARAKTERISTIK PENYALAAN

 

PENYALAAN (Ignition)

Penyalaan merupakan sebuah transisi dari keadaan tidak reaktif ke reaktif oleh karena rangsangan/dorongan eksternal sehingga terjadi reaksi termokimia diikuti dengan transisi yang cepat menopang pembakaran sendiri (Kenneth K. Kuo)

Proses penyalaan biasanya sangat komplek dan melibatkan berbagai kerumitan tahapan secara fisik maupun kimia. Penyalaan merupakan keadaan transien, yang biasanya dipicu beberapa proses pemanasan transien.

Syarat kondisi agar terjadi penyalaan (pembakaran yang baik) dikenal dengan rule of tumb Tiga T :

• T-temperatur ® cukup tinggi sehingga dapat menyebabkan terjadinya reaksi kimia dan/atau pirolisis
• T-turbulensi ® harus cukup tinggi sehingga terjadi pencampuran yang baik bahan bakar dan pengoksidasi, dan panas dapat ditransfer dari media yang telah bereaksi ke media yang belum bereaksi
• T-Time ® waktu harus cukup agar input panas dapat terserap oleh reaktan sehingga berlangsung proses termokimia

Beberapa parameter yang berpengaruh terhadap proses penyalaan adalah komposisi campuran, tekanan, laju pemberian tekanan, lama pemanasan, total energi yang ada dalam sistem, konsentrasi pengoksidasi, kecepatan aliran konveksi, intensitas dan skala turbulensi, sifat termal dan transport dari material yang dipanaskan, katalis, inhibitor dll. Disamping itu, penyalaan juga tergantung pada geometri ruang dan bahan yang melingkupinya, dan kondisi operasi.

PEMICU PENYALAAN

Pemicu eksternal agar terjadi proses penyalaan dapat diklasifikasikan dalam tiga kategori :

1.   Energi termal.

Transfer energi termal ke reaktan oleh konduksi, konveksi, radiasi atau kombinasi dari ketiga macam proses tersebut.

2.   Kimia.

Dengan memasukkan agen kimia reaktif.

3.   Mekanik.

Tumbukan mekanik, friksi dan gelombang kejut.

PENYALAAN SPONTAN (spontaneous ignition)

Proses penyalaan disamping disebabkan oleh sumber eksternal seperti spark, pilot flame, dan kawat panas, juga terdapat proses penyalaan yang disebut sebagai penyalaan spontan (kadang-kadang disebut juga penyalaan sendiri, autoignition, atau penyalaan homogen) yang tidak lain disebabkan oleh panas dinding tabung.

Menurut Spalding “Bila campuran reaktif dinaikkan sampai tekanan dan temperatur tertentu, kemudian dibiarkan maka ia akan mulai menyala setelah waktu tertentu”.

Indikator terjadinya penyalaan adalah terjadi kenaikan temperatur yang cepat, emisi sinar tampak (nyala), dan reaksi kimia yang cepat.

 

TEMPERATUR PENYALAAN SPONTAN

Jika bahan bakar dan oksidan dipertahankan pada temperatur ambang, maka dapat terjadi reaksi dengan laju yang sangat lambat, dan campuran tersebut dalam keadaan meta stabil. Setelah temperatur dinaikkan, maka oksidasi lambat dimulai dengan menghasilkan panas sehingga temperaturnya akan meningkat, sepanjang laju panas yang dihasilkan lebih besar dari panas hilang. Jika temperatur campuran dinaikkan lebih jauh maka laju reaksi naik secara tiba-tiba menghasilkan reaksi pembakaran yang cepat. 

Bahan bakar	Rumus Empiris	Zat Volatil (%)	Temperatur penyalaan (oC)
Antrasit	CH0,4	3	600
Bituminous	CH0,8	35	500
Char Bituminous	CH0,3	2	550
Lignit	CH0,8	40	400
Minyak residu	CH1,7	95	325
Minyak distilasi	CH1,9	98	275
Hidrogen	H2	100	580
Carbon monoksida	CO	100	630
Metan	CH4	100	690

Temperatur minimum dimana reaksi pembakaran cepat terjadi disebut temperatur penyalaan spontan atau disingkat menjadi temperature panyalaan saja. Jadi faktor penting yang mempengaruhi temperatur penyalaan spontan adalah keseimbangan antara panas yang dihasilkan oleh pembakaran lebih besar dari panas yang hilang ke lingkungan sehingga proses pembakaran akan terjadi dengan sendirinya.

Temperatur penyalaan bahan bakar di udara sangat bervariasi. Beberapa faktor yang berpengaruh adalah tekanan, kecepatan, keseragaman campuran bahan bakar dan udara dll. Temperatur penyalaan biasanya meningkat apabila tekanan menurun, dan kandungan lengas di udara meningkat.

NYALA DINGIN (COOL FLAME)

Nyala dingin dapat terjadi pada tekanan dan temperatur tertentu (lihat gambar) dimana pada kondisi tersebut pembakaran terjadi tidak sempurna dengan menghasilkan produk antara seperti CO dan CH₂O. Nyala dingin juga membutuhkan periode induksi sebelum penyalaan dan karena nyala tersebut menghasilkan panas yang lebih rendah dari nyala normal maka disebut nyala dingin.

TEMPERATUR ADIABATIK

Temperatur adiabatik adalah temperatur teoritis maksimum yang dicapai oleh produk-produk pembakaran bahan bakar tertentu dengan oksigen (atau udara), dengan asumsi tidak ada panas hilang ke lingkungan dan tidak terjadi disosiasi. Panas pembakaran bahan bakar merupakan faktor utama dalam temperatur nyala, tetapi kenaikan temperatur udara dan temperatur bahan bakar juga menyebabkan kenaikan temperatur nyala.

Temperatur adiabatik terjadi pada udara lebih sama dengan nol (kondisi stokiometrik). Udara lebih tidak terlibat (secara teoritis) dalam proses pembakaran, dan hanya menyebabkan reduksi temperatur produk-produk pembakaran.

Temperatur adiabatik ditentukan dari entalpi adiabatik gas buang :

Hg = HHV – Panas laten air + Panas sensibel udara

                                    Berat gas buang

Dimana :

Hg = entalpi adiabatik, Btu/lb

Temperatur adiabatik merupakan temperatur teoritis yang pada kenyataannya tidak akan tercapai (selalu lebih rendah) oleh karena :

1.  Pembakaran tidak terjadi seketika. Sebagian panas menghilang ke lingkungan dimana pembakaran terjadi. Pembakaran yang cepat akan mereduksi kehilangan panas. Akan tetapi jika pembakaran berjalan lambat maka gas terdinginkan dan akan terjadi pembakaran tidak sempurna (sebagian bahan bakar masih tersisa).

2.  Pada temperatur di atas 3000^oF, CO₂ dan H₂O terdisosiasi dengan menyerap panas. Pada 3500^oF, sekitar 10% CO₂ dalam gas buang terdisosiasi menjadi CO dan O₂ dengan mengabsorbsi panas 4345 Btu/lb CO yang terbentuk. Sekitar 3% H₂ terdisosiasi menjadi H₂ dan O₂ dengan mengabsorbsi panas 61100 Btu/lb H₂ yang terbentuk. Jika gas mendingin, CO dan H₂ tersebut berekombinasi lagi dengan melepaskan energi disosiasinya, jadi panasnya tidak hilang. Akan tetapi efeknya adalah temperatur nyala aktual tetap lebih rendah.

Rumus pendekatan untuk menghitung T_ad adalah :

        t_c      =      {LHV + A a HHV Cp_a (t_a – 80)/10⁶}

                            [1 - %abu + A a HHV/10⁶] Cp_g

                                    100

dimana :

LHV dan HHV         = Nilai kalor rendah dan tinggi, Btu/lb

A                              = kebutuhan udara teoritis persejuta Btu fired, lb 

a                               = faktor udara lebih

t_a, t_c                          = temperatur udara dan pembakaran, ^oF

Cp_a dan Cp_c                  = panas spesifik udara dan produk pembakaran, Btu/lb^oF

Tabel berikut dapat dijadikan sebagai pedoman bagi berbagai bahan bakar.

Data untuk mengestimasi t_c berbagai bahan bakar

Bahan bakar	Abu	HHV	LHV	A
Fuel oil Gas alam Blast furnace gas Gas refeneri dan minyak Batubara bituminus	- - - - 8	18500 18880 1150 22170 12990	18400 17100 1130 20330 12460	745 732 575 725 750

Sumber : Applied Heat Transfer, Ganapathy

Rumus empiris untuk menghitung T_ad :

                                            3750

             T_ad =   T_o    +      ------------                                                                          

                                        1 + 750/h_f

dimana :

T_ad = T adiabatik nyala api (^oF)

T_o  = Temperatur udara sekitar (^oF)

h_f   = heat of combustion, (Btu/lb)

Grafik T adiabatik: