Chemistry And Physics Of Fire: (kimia Dan Fisika Kebakaran)

CHEMISTRY AND PHYSICS OF FIRE (KIMIA DAN FISIKA KEBAKARAN)

HENY TRIASBUDI, IR., MSC. FIRE SAFETY SPECIALIST

HENY TRIASBUDI S1 TEKNIK SIPIL, UNIVERSITAS BRAWIJAYA S2 FIRE SCIENCE, UNIVERSITY OF NEW HAVEN FIRE SAFETY SPECIALIST 0811 917154 0251 8319633 [email protected]

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

2

MEKANISME REAKSI RANTAI KEBAKARAN  Kebakaran: peristiwa oksidasi, reaksi kimia antara bahan dapat terbakar dengan oksigen.  Kebakaran dapat terus terjadi karena reaksi rantai yang tak terputus sampai salah satu unsur kebakaran dihilangkan/ habis.  Contoh: reaksi rantai kebakaran gas hidrogen.  Dalam reaksi ini yang terjadi bukan benturan antara molekul H2 dan O2, tetapi reaksi yang melibatkan atom bebas dan radikal H, O dan OH.

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

3

 Reaksi awal: H + O2 → OH + O Atom H yang dihasilkan oleh sumber penyalaan bereaksi dengan molekul stabil O2 menghasilkan spesies reaktif OH dan O.  OH (hidroksil radikal) bereaksi sangat cepat dengan H2 : OH + H2 → H2O + H Reaksi menghasilkan atom H yang kemudian melanjutkan reaksi rantai.

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

4

 Sementara itu atom O yang yang dihasilkan dalam reaksi awal bereaksi sangat cepat dengan H2 dan membentuk rantai tambahan: O + H2 → OH + H  Seperti pada Gambar 1, satu atom H, bila direaksikan pada campuran H2 dan O2 pada temperatur tinggi, akan diubah melalui urutan reaksi sangat cepat (beberapa milidetik) menjadi 2 molekul H2O dan 3 molekul atom H.  Masing-masing atom H yang baru ini membentuk urutan yang sama, sehingga terjadi reaksi rantai cabang secara terus menerus sampai seluruh reaktan habis. 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

5

Gambar 1. Reaksi Rantai Kebakaran Gas Hidrogen. 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

6

+O2

H

+O2 +O2

+O2

H H H

+O2 +O2 +O +O2 2 +O +O2 2 +O2 +O2 +O2

H

H

H

H H

H H

H H

H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H

Dan seterusnya

Gambar 10. Gambaran Sederhana Reaksi Rantai Atom H dengan O2 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

7

PRODUK-PRODUK KEBAKARAN Pada suatu kebakaran akan dihasilkan produk-produk berupa panas, cahaya, asap dan gas.

 Panas Panas/ kenaikan temperatur akibat kebakaran menimbulkan penyebaran api dan kerusakan terhadap benda-benda lain serta luka bakar pada manusia. Pada temperatur udara 50 °C pernafasan manusia mulai terganggu, dalam waktu singkat manusia dapat bertahan pada temperatur 150 °C.  Cahaya Cahaya dapat dilihat sebagai nyala atau bara api. Benda-benda dan manusia akan mengalami kerusakan/ luka bakar bila langsung terpapar radiasi nyala dengan besaran kW/m2.  Panas dan cahaya menentukan tingkat keparahan yang terpapar.(Gambar 2) 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

8

Gambar 2. Tingkat Keparahan Luka Manusia akibat Kebakaran 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

9

 Asap Terdiri dari campuran partikel halus karbon padat (soot) dan butiran halus cairan bahan bakar (aerosol mist) yang terbentuk dari pembakaran tidak sempurna. Campuran dari asap dan gas dapat membentuk efek sinergistik, di mana tingkat peracunan menjadi jauh lebih tinggi.  Gas Diperkirakan sekitar 50 – 80 % manusia meninggal akibat menghisap gas beracun bercampur asap dalam peristiwa kebakaran. Gas beracun yang dihasilkan dalam kebakaran antara lain : karbon monoksida, karbon dioksida, hidrogen sianida, hidrogen klorid, sulfur dioksida.  Karbon monoksida, paling banyak dihasilkan dalam kebakaran. Pada konsentrasi 1,3 % manusia akan pingsan dalam 3 x tarikan nafas. 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

10

 Karbon dioksida, menimbulkan aspisiasi, pada konsentrasi 2 % manusia harus bernapas 1,5 x kecepatan nafas semula, pada konsentrasi 10 % dalam beberapa menit manusia akan meninggal.

 Hidrogen sianida, dihasilkan oleh kebakaran bahan yang mengandung nitrogen terdapat pada : wool, sutera, nilon, poliuretan, paling mematikan dengan 20 x sifat racun karbon monoksida.  Hidrogen klorid, dihasilkan oleh kebakaran yang mengandung klorin, paling banyak ditemukan pada plastik PVC. Gas ini akan mulai berbahaya pada konsentrasi 17000 ppm dalam waktu 5 menit.  Sulfur dioksida, dihasilkan oleh kebakaran yang mengandung belerang, pada konsentrasi 0,05 % dalam waktu beberapa menit dapat menimbulkan kematian. 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

11

TAHAP KEBAKARAN Secara garis besar kebakaran dapat dibedakan dengan jelas dalam tiga tahap/ fase : tahap pertumbuhan, tahap perkembangan dan tahap pelapukan .

 Tahap Pertumbuhan (Growth stage) Didahului dengan penyalaan (ignition), api masih banyak menghasilkan uap air, karbon dioksida dan sedikit sulfur dioksida serta karbon monoksida. Temperatur api dapat mencapai 1000 °F (537 °C )  Tahap Perkembangan (Fully developed stage) Dalam tahap ini kebakaran dengan oksigen yang berlebih membawa panas secara konveksi ke tempat yang lebih tinggi. Pada suatu saat, api akan membakar semua bahan bakar yang ada secara bersamaan yang disebut flashover, temperatur dapat mencapai 1300 °F (700 °C) 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

12

 Tahap Pemadaman (Decay stage)  Setelah nyala api membakar habis bahan bakar yang ada, nyala api mulai padam tetapi bara api masih tetap hidup, bila kebakaran terjadi dalam ruangan, dalam tahap ini asap tebal akan memenuhi seluruh ruangan, temperatur sedikit turun menjadi 1000 °F (537 °C ).  Gas-gas akan memenuhi ruangan karena tidak terbakar yang dapat menimbulkan backdraft, suatu sambaran api yang menyerupai ledakan di mana udara (oksigen) masuk ke dalam ruangan (melalui jendela atau pintu yang sebelumnya tertutup) yang sangat panas dan penuh dengan gas yang siap terbakar dengan tekanan gas dalam ruang lebih rendah dari tekanan udara luar .  Dalam tahap ini kebakaran akan berhenti secara total bila bahan bakar sudah habis. 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

13

BACK DRAFT

Gambar 3. Tahap Pertumbuhan Api Aktual 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

14

HUBUNGAN ANTARA BAHAN BAKAR CAIR, UDARA DAN TEMPERATUR DALAM KEMUDAH TERBAKARAN (FLAMMABILITY)  Kemungkinan suatu bahan bakar cair untuk terbakar tergantung dari volume bahan bakar, volume udara dan tingginya temperatur pemanasan.  (Semua ketentuan/ pengertian di bawah berlaku pada temperatur dan tekanan udara normal).

 Daerah dapat menyala/ terbakar (flammable area): Uap/ gas siap untuk menyala bila terdapat sumber api yang cukup.  Daerah campuran kaya (rich mixture area): Uap/ gas tidak dapat menyala karena terdapat campuran gas dan udara dengan volume gas lebih besar dalam perbandingan antara gas dan udara dari yang seharusnya untuk suatu jenis gas. 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

15

 Daerah campuran miskin (lean mixture area) Daerah di mana uap/ gas tidak dapat menyala karena terdapat campuran gas dan udara dengan volume gas lebih sedikit dalam perbandingan antara gas dan udara dari yang seharusnya untuk suatu jenis gas.  Daerah kabut (mists area) Daerah di mana terdapat campuran antara uap/ gas, partikel-partikel cairan dan udara, uap/ gas tidak dapat menyala dalam daerah ini.  Daerah penyalaan sendiri (auto ignition area) Daerah di mana uap/ gas dapat menyala dengan sendirinya tanpa adanya sumber api. 29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

16

 Titik Nyala (Flash Point) Temperatur minimum di mana uap/ gas bahan bakar cair dapat menyala sekejap bila sumber panas yang cukup didekatkan pada permukaan cairan tersebut.  Titik Bakar (Fire Point) Temperatur di mana uap/ gas bahan bakar cair dapat menyala dan kebakaran akan berlanjut.  Titik Nyala Sendiri (Auto Ignition Point) Temperatur di mana uap/ gas bahan bakar cair dapat menyala dengan sendirinya tanpa adanya sumber api.

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

17

 Batas Kemudah-menyalaan Atas (Upper Flammable Limit) Volume maksimum uap/ gas di mana uap/ gas masih mungkin untuk terbakar.  Batas Kemudah-menyalaan Bawah (Lower Flammable Limit) Volume minimum uap/ gas di mana uap/ gas masih mungkin untuk terbakar.

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

18

Non Flammable area Rich mixture

Mists area V3 V2

Auto ignition area

Flammable area

V1

Non Flammable area Lean mixture FP

Gambar 4. 29/03/2019

FP (upper)

AIT

Batas-batas kemudah menyalaan (flammability) Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

19

Tabel 1. Sifat beberapa Material Mudah Menyala. LFL (% vol)

UFL (% vol)

Titik Nyala (FP) °C

Titik Nyala Sendiri (AIT) °C

Acetone

2,5

13

-20

465

Acetylene

2,5

100

-

305

Butane

1,6

8,4

-

287

Carbon disulfide

1,3

50

-30

90

Gasoline

1,4

7,6

-45 s/d -38

280 s/d 456

Jet fuel (JP-4)

1,3

8

-23 s/d -1

240

Kerosene

0,7

5

43

210

Naphtha

1,1

5,9

-18

288

Natural gas

3,8

17

-

482 s/d 632

Methane

5

15

-

537

Propane

2,1

9,5

-

450

Material

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

20

CAMPURAN GAS MUDAH MENYALA  Dalam keadaan normal, di udara banyak sekali campuran gas mudah menyala, tetapi belum tentu terjadi kebakaran, karena dalam suatu campuran dari beberapa gas tertentu dengan jumlah tertentu sifat mudah terbakarnya dapat berkurang dibanding dengan sifat dari masing-masing gas.  Di alam bebas tidak mungkin hanya ada satu jenis gas, sehingga untuk menentukan sifat bahayanya maka perlu perhitungan sifat kemudah terbakaran dari campuran gas tersebut.

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

21

CONTOH PERHITUNGAN

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

22

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

23

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

24

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

25

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

26

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

27

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

28

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

29

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

30

99,9

12,5

2,39) 29/03/2019

11,23 %

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

31

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

32

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

33

29/03/2019

Heny Triasbudi/ Chemistry and Physics of Fire

34