PENGGUNAAN PRINSIP STOIKIOMETRI DAN ENTHALPY BALANCE DALAM EVALUASI PERGANTIAN FUEL PADA COMBUSTION PROCESS

         

          STOICHIOMETRI DAN ENTHALPY. Setiap kita yang belajar Kimia Dasar di SMA pasti pernah mengenal istilah ini. Apalagi yang melanjutkan studi di Perguruan Tinggi, di Fakultas Teknik atau Fakultas Matematika & Ilmu Alam, pasti sudah lebih mengenal lagi.  Namun mungkin ada yang belum merasakan gunanya untuk apa dalam aplikasi dunia industri  ?

                                             Bismillahirrahmaanirrahiim.

     

     Konsep reaksi kimia dasar ini ternyata bermanfaat untuk  mengevaluasi program perubahan type dan komposisi bahan bakar ( fuel ) yang masuk dalam proses pembakaran, entah itu di furnace ( fired heater ) dalam reboiler, boiler, maupun di pembangkit listrik seperti  generator set ( diesel generator ) maupun gas combustion turbine generator.

       Langkah-langkah umumnya, setelah mengevaluasi  sifat-sifat fisik dari fuel tersebut memenuhi syarat ( seperti dew point cukup rendah sehingga tidak mudah terkondensasi dalam temperature operasi, Heating Value memenuhi, dsb ), maka stoikiometri  & enthalpy mengambil peran untuk evaluasi hal-hal berikut :

A.      Mengestimasi kebutuhan teoretis udara pembakaran dan pengaruhnya terhadap equipment yang sudah ada ( kapasitas burner, compressor, dsb ).

1.  Dari nilai Heating Value, bandingkan keperluan new fuel jika menggantikan existing fuel untuk mendapatkan panas yang sama.
2. Dengan prinsip stoikiometri, check kebutuhan teoretis udara pembakaran pada existing fuel ( yang sedang digunakan / akan digantikan ), tambahkan % excess air yang diinginkan di flue gas.
3. Dengan prinsip stoikiometri, check kebutuhan teoretis udara pembakaran pada new fuel ( yang akan digunakan ), dengan % excess air yang sama dengan pembakaran existing fuel di point 2 di atas.  
4.  Hitung volumetric rate dari udara stoikiometrik berdasarkan hasil check di atas, lalu bandingkan volumetric rate udara stoikiometrik yang dibutuhkan oleh existing fuel vs new fuel.
5. Akan bisa di-justifikasi apakah burner atau compressor yang ada masih layak untuk mensuplai udara bagi new fuel.

 B.      Mengestimasi  Panas Reaksi pembakaran ( Heat Released of Combustion ) yang terjadi pada temperature inlet burner, untuk existing fuel maupun new fuel.

1. Prinsipnya, Enthalpy merupakan state function, it doesn’t depend on process. Enthalpy akhir yang dihasilkan dari ( H reactant @ Tref  + H pemanasan reactant dari Tref ke  Tinlet burner +  Heat Combustion @ Tinlet burner ) = Enthalpy akhir dari  (H  reactant @ Tref +  Heat Combustion @ Tref + H pemanasan product dari Tref ke Tinlet burner ).
2. Dari B.1. berarti :  Heat Combustion @ Tinlet burner = Heat Combustion @ Tref + Delta ( H pemanasan product dari Tref ke Tinlet burner – H pemanasan reactant dari Tref ke Tinlet burner ).
3. Delta H pemanasan di point B.2 , mungkin harus menggunakan data specific heat yang merupakan fungsi temperature, sehingga butuh sedikit bantuan prinsip integral dalam calculus.
4.  Maka Heat Released of Combustion dari existing fuel maupun new fuel pada Temperature inlet burner bisa di-estimasi.

C.      Mengestimasi  stoichiometric flame temperature ( SFT ) , yaitu temperature api yang dihasilkan oleh pembakaran existing fuel maupun new fuel. SFT berguna untuk mengevaluasi apakah combustion chamber, turbine material, heater coil, masih layak pakai jika menggunakan new fuel.

1. Secara prinsip, Heat Combustion pada Tinlet burner merupakan merupakan panas yang dilepaskan pada  saat reactant terbakar / berubah menjadi product bakar pada Tinlet burner.
2. Sehingga Heat Combustion pada Tinlet burner akan menaikkan temperature product dari Tinlet burner  menjadi Tsft.
3. Jadi : Heat Combustion pada Tinlet burner = H pemanasan product dari Tinlet burner ke Tsft.
4.  Perhitungan pada item C.3. mungkin sekali melibatkan data specific heat dalam fungsi temperature, sehingga perlu bantuan prinsip integral calculus yang menghasilkan persamaan polynomial.  Dan untuk menyelesaikan persamaan polynomial ini, bisa trial error nilai Tsft sehingga item C.3i. menjadi balance atau bisa dengan menggunakan metode numeric.
5.  Maka dapat diestimasilah Stoichiometric Flame Temperature dari exisiting fuel maupun new fuel, sehingga bisa di justifikasi impact apakah yang kira-kira diberikan oleh new fuel terhadap peralatan yang ada seperti gas turbine, heater coil, maupun combustion chamber.

Semoga bermanfaat, mohon koreksinya jika ada yang kurang tepat.

Walhamdulillahirobbil ‘alamiin.

MU'JIZAT AL QURAN SURAT AN NAHL : 66

 
Bismillahirrohmanirrohiim, rojiyan ridhoilllah wa ibtighoan wajhillah...

      Alhamdulillah, tadarrus baru sampai di Juz 14, Surat An Nahl. Ketika sampai di ayat 66 dari surat ini, saya teringat penjelasan yang pernah saya peroleh tentang mu'jizat techno-linguistic yang dikandung oleh ayat ini. Saat pertama kali menerima penjelasan tersebut, saya belum faham. Justru kefahaman itu dilimpahkan oleh Allah SWT saat saya antri susu sapi perah di Kantor Dinas Peternakan Tuban beberapa waktu lalu.

     
Ayat tersebut berbunyi begini ( maaf tidak ada harokat / syakal, silakan merujuk mushaf Qur'an masing-masing ya ) :

وإن لكم في الأنعام لعبرة نسقيكم مما في بطونه من بين فرث ودم لبنا خالصا سآئغا للشاربين   

"Dan sungguh, di dalam binatang-binatang ternak itu ( An'aam ), benar-benar terdapat pelajaran bagi kalian. Kami memberi minum kalian dari apa-apa yang ada di dalam perut-perut ( buthuun) se-ekor binatang ternak, berupa susu yang bersih murni yang keluar diantara tahi dan darah, yang mudah ditelan bagi orang-orang yang meminumnya" ( TQS. Al An'am : 66).

       Mungkin terjemahan Qur'an yang anda pegang sedikit berbeda dengan yang saya tuliskan di atas. Sebab yang saya tuliskan tersebut, terutama yang bold letter,  adalah kata kunci dari pemahaman yang ingin saya sampaikan disini.

Kata kuncinya ada di paragraf ini :

        Seekor binatang ternak, bahasa Arabnya adalah "na'am", sedangkan bentuk pluralnya adalah "an'aam". Kata ganti kepemilikan ( dhomir muttashil bil ismi ) untuk "na'am" adalah "hi" ( atau bahasa Inggrisnya "his", lelaki tunggal / mudzakkar mufrod ), sedangkan kata ganti kepemilikan untuk "an'aam" adalah "haa" ( bahasa Inggris : "her", sebab jama' yang tidak berakal dalam bahasa Arab digolongkan perempuan tunggal / muannats mufrad ). Sedangkan perut, bahasa Arabnya adalah "bathnun", bentuk jama' / pluralnya adalah "buthuun". 

         Jadi kalau ingin mengatakan "dalam perut seekor binatang ternak", bahasa Arabnya adalah "fii bathnin na'am" atau "fii bathnihi". Sedangkan jika dikatakan "fii buthuuni 'l an'aam", atau "fii buthuunihaa", artinya adalah di dalam perut-perut binatang-binatang ternak.

        Anda perhatikan, QS. An Nahl di atas menggunakan kata " fii buthuunihi", bukan "fii buthuunihaa", meskipun pada awal ayat menggunakan kata "al an'aam " yang seharusnya ber-dhomir "haa". Apakah ada kesalahan penulisan Qur'an, seharusnya "fii buthuunihaa" ditulis "fii buthuunihi" ? Orang-orang orientalis Barat pada abad 18~19 menggunakan ayat ini untuk menuduh terjadinya kesalahan penulisan Al Qur'an sebab --menurut mereka-- tidak sesuai dengan kaidah bahasa Arab, seharusnya "haa" ditulis "hi".

         Kita katakan disini : Tidak ada salah tulis, bahkan frase "fii buthuunihi" justru menggambarkan bagaimana Al Qur'an menjelaskan secara singkat mekanisme pengolahan susu sehingga bisa terpisah dari kotoran dan darah sebagaimana diungkapkan dalam ayat tersebut. Frase "fii buthuunihi" artinya " di dalam perut-perut seekor binatang ternak". Artinya, sejak 15 abad lalu, Al Qur'an sudah menjelaskan bahwa perut seekor binatang ternak itu ada banyak segment, yang kesemuanya terlibat dalam pemurnian susu.

       Fenomena ini baru diketahui abad 20 ini saja. Bahkan jika anda membaca tafsir Ibnu Katsir ( ditulis pada abad 7 H , sekitar 1300 M ) , beliau  menyatakan yang intinya  "fii buthuunihi pengertiannya sama dengan fii buthuunihaa, di mana frase terakhir ini digunakan dalam QS. Al Mu'minuun : 21 ". ( Lihat Tafsir Ibnu Katsir Juz 2 : 595, terbitan Darul Kutub Lebanon ). Ibnu Katsir tidak salah, memang saat itu belum diketahui bahwa seekor binatang memiliki bermacam-macam perut untuk memurnikan susu. QS. An Nahl : 66 ini membicarakan proses pemurnian susu sehingga perlu disinggung banyaknya perut yang ada dalam seekor binatang menyusui, sedangkan QS. Al Mu'minun : 21 tidak menyinggung proses pemurnian susu, sehingga tidak perlu mengungkapkan realitas ilmiah ini.

        Jika kita berkunjung ke Dinas Peternakan, maka di sana terpampang bagan perut sapi, ada 4 bagian, kalau tidak salah reticulum, abomasum, omasum, dan rumen. Ada yang menyebut perut asam, perut kelelawar, dst... . Pada Unta hanya ada 3 bagian perut...Intinya sejak 15 abad lalu, Al Qur'an sudah memberikan informasi ini kepada kita.

           Semoga ini menambah keyakinan kita bahwa Al Qur'an benar-benar Firman Allah Tuhan Pencipta dan Pengatur Alam Semesta, menambah semangat kita untuk mengamalkan isinya. Amiin.

Wallahu a'lamu bishowaab.