PENGUKURAN TEKANAN UAP CAMPURAN TERNER ISOOCTANE-ETHANOL-1-BUTANOL DENGAN MENGGUNAKAN EBULLIOMETER Yuliawan ( 2306100005 ), Samsul Arif ( 2306100086 ) Pembimbing : 1. Prof.Dr.Ir. Gede Wibawa, M.Eng 2. Dr. Ir. Kuswandi, DEA Laboratorium: Thermodinamika PENDAHULUAN Berdasarkan Peraturan Presiden (Perpres) No 5. Tahun 2006 mengenai kebijakan energi nasional, dimana pada pasal 2 ayat II disebutkan bahwa pengurangan konsumsi minyak bumi sampai 20%, karena minyak bumi merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui, dimana keberadaan jumlahnya semakin berkurang. Di samping itu, penggunaan bahan bakar minyak yang berasal dari fosil secara terus menerus sebagai sumber energi utama di dunia menyebabkan meningkatnya konsentrasi CO2 secara signifikan di atmosfir dan memberikan efek pemanasan global [Yu et al., 2003 dan Demirbas et al., 2004]. Salah satu upaya untuk mengurangi emisi yaitu dengan penambahan oxygenated compound (ether, alkohol, ester dll) pada bahan bakar. Penambahan oxygenated compound misalnya, ethanol dalam gasoline yang semakin besar maka proses pembakaran menjadi lebih sempurna karena nilai kalor ethanol lebih kecil daripada nilai kalor gasoline. Lebih rendahnya nilai kalor (heating value) ethanol daripada nilai kalor gasoline akan berdampak pada daya mesin, yaitu daya mesin berbahan bakar ethanol lebih rendah daripada daya mesin kendaraan berbahan bakar gasoline. Oleh karena itu perlu ditambahkan entrainer yang mempunyai nilai kalor yang lebih tinggi untuk meningkatkan nilai kalor bioethanol dalam hal ini digunakan 1butanol. Adapun pengaruh kenaikan temperatur pada tekanan uap campuran akan mempengaruhi jumlah emisi yang dihasilkan. Semakin tinggi temperatur maka kalor pembakaran juga akan semakin besar. Apabila kalor pembakaran besar maka besarnya emisi gas buang juga semakin banyak. Maka dari itu diperlukan entrainer ketiga seperti 1-butanol untuk menurunkan tekanan uap campuran gasoline-ethanol. Pengukuran tekanan uap sistem biner maupun terner dapat dilakukan dengan menggunakan ebulliometer yang juga dilengkapi dengan stirer seperti pada penelitian sebelumnya [Li, et al, 1995]. Pengukuran tekanan uap sistem biner pada campuran EthanolIsooctane dan 1-Butanol-Isooctane pada berbagai komposisi dan temperatur dengan menggunakan modifikasi ebuliometer telah dilakukan pada penelitian sebelumnya dimana dari pengukuran tersebut dilakukan korelasi dengan menggunakan parameter Wilson dan UNIQUAC. Dari hasil eksperimen yang telah dilakukan didapatkan hasil bahwa untuk sistem biner [(ethanol – isooctane) dan (1-butanol – isooctane)] menunjukkan terjadinya kenaikan tekanan uap pada fraksi alkohol yang rendah yaitu pada range 0 – 30 % massa, kemudian konstan pada range fraksi massa 0,4 – 0,6 dan pada fraksi alkohol yang tinggi tekanan uap semakin menurun yaitu pada range 70 - 90 % massa. Kemudian dilanjutkan dengan penelitian yang sekarang ini dilakukan yaitu untuk sistem terner dimanan tekanan uap campuran sistem terner hasil eksperimen dikorelasikan dengan hasil perhitungan menggunakan persamaan Wilson dan UNIQUAC untuk mendapatkan parameter biner dari persamaan tersebut. Selain menggunakan metode korelasi, juga digunakan metode prediksi yaitu menggunakan parameter biner dari percobaan peneliti terdahulu dan digunakan dalam perhitungan sistem terner. Selanjutnya dibandingkan antara metode korelasi dan prediksi yang memiliki harga ARD terkecil.
METODOLOGI PENELITIAN Peralatan yang digunakan pada percobaan ini adalah ebulliometer yang dilengkapi stirrer [Li.H et al, 1995]. Peralatan penelitian yang digunakan telah dilakukan modifikasi sehingga lebih sederhana seperti ditunjukkan pada gambar 1 [Oktavian dan Amidelsi, 2008].
Gambar 1 Diagram Skematik Ebulliometer Bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain Isooctane dengan grade pro analysis (MERCK) kemurnian lebih dari 99,5%, ethanol dengan grade pro analysis dengan kemurnian lebih dari 98% (MERCK), serta 1-butanol dengan grade pro analysis (MERCK) kemurnian lebih dari 99,5%. Adapun tahap-tahap percobaan yang akan dilakukan yaitu menyusun peralatan ebulliometer seperti pada Gambar 3.2. Kemudian membuat campuran terner sistem ethanol-iso-oktane-1-butanol untuk berbagai dan memasukkan sampel larutan tersebut ke dalam ebulliometer cell. Selanjutnya memvakumkan alat dengan menggunakan pompa vakum, hal ini dilakukan untuk menghilangkan impuries udara dalam sistem karena dapat mempengaruhi pengukuran tekanan uap zat. Kemudian menutup valve vakum dan mematikan pompa vakum. Setelah divakumkan, mengalirkan air pendingin melalui kondensor dan menyalakan hot plate stirer untuk mengaduk larutan agar homogen. Kemudian mensetting temperatur pada suhu yang ditentukan, yaitu 29 – 37oC. Setelah itu, menyalakan regulator pemanas dan mencatat tekanan uap campuran pada manometer raksa. Setelah didapatkan data tekanan uap, kemudian menentukan parameter koefisien Wilson dan UNIQUAC untuk sistem terner. Langkah terakhir yaitu membandingkan error tekanan uap sistem terner yang diperoleh dari eksperimen dengan tekanan uap sistem terner yang diperoleh dari prediksi dengan parameter biner pada eksperimen sebelumnya dan dengan cara korelasi dengan menggunakan Wilson dan UNIQUAC. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Penambahan ethanol ke dalam isooctane menjadi campuran isooctaneethanol dengan fraksi ethanol 0.05 (berat), menyebabkan tekanan uap campuran isooctaneethanol naik menjadi lebih besar dari tekanan uap isooctane murni. Pengaruh komposisi ethanol di dalam campuran isooctane-ethanol dapat dilihat pada Gambar 2 berikut.
Gambar 2 Pengaruh komposisi ethanol terhadap tekanan uap campuran isooctaneethanol pada temperatur 302,05 K
Gambar 3 Pengaruh komposisi 1-butanol di dalam campuran isooctane-ethanol-1butanol pada temperatur 302,05 K
Dari gambar 2 terlihat bahwa dengan penambahan sedikit ethanol ke dalam isooctane akan menaikkan tekanan uap isooctane. Kenaikan tekanan uap campuran isooctane-ethanol ini sebanding dengan peningkatan jumlah ethanol dalam campuran. Dari konsentrasi 0,05 – 0,1 (fraksi berat ethanol) terlihat kenaikan tekanan uap yang cukup drastis dan signifikan. Semakin banyaknya komposisi ethanol yang diberikan menyebabkan peningkatan tekanan uapnya semakin kecil. Eksperimen sistem terner dilakukan dengan variabel perubahan jumlah komposisi 1butanol di dalam campuran isooctane-ethanol-1-butanol. Hal ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh penambahan 1-butanol di dalam campuran isooctane-ethanol-1-butanol. Berdasarkan gambar 3 di atas terlihat bahwa penambahan 1-butanol pada campuran isooctane – ethanol pada berbagai komposisi memberikan hasil bahwa tekanan uapnya menjadi turun. Tetapi penambahan 1-butanol yang efektif yaitu pada komposisi 2,5% berat dalam campuran biner isooctane 95% dan ethanol 5%, karena pada komposisi ini tekanan uap campuran turun secara signifikan. Sedangkan pada pada penambahan 5% - 10% 1-butanol dalam campuran biner yang sama tidak memberikan penurunan yang signifikan bahkan cenderung konstan. Dari hasil korelasi untuk sistem terner antara ekperimen dan persamaan model diperoleh parameter pada tabel di bawah ini : Tabel 1 Perhitungan Korelasi Parameter Model Campuran isooctane(1) - ethanol(2) 1-butanol(3) Campuran isooctane(1) - ethanol(2) 1-butanol(3)
Wilson a12
a21
a13
a31
a23
a32
3501,38
-116,47
839,12
663,61
5402,01
-1504,24
u12 -43,04
u21 256,16
UNIQUAC u13 u31 535,78
-309,60
u23 -419,39
u32 7876,21
Selain perhitungan parameter dengan cara korelasi juga dilakukan dengan cara prediksi dari eksperimen biner yang telah dilakukan pada eksperimen sebelumnya dan hasilnya sebagai berikut :
Tabel 2 Perhitungan Prediksi Parameter Model Wilson
Campuran isooctane(1) - ethanol(2) 1-butanol(3)
a12
a21
a13
a31
a23
a32
-268,80
388,53
110,78
952,94
5403,38
-141,98
UNIQUAC
Campuran
u12
isooctane(1) - ethanol(2) 1-butanol(3)
-606.98
u21 177.56
u13 1710.95
u31 -922.92
u23 -447.20
u32 7876.21
Berdasarkan perhitungan korelasi dan prediksi pada setiap model dapat dibuat ARD dari data eksperimen dan perhitungan yang ditunjukkan pada tabel di bawah ini. Tabel 3 Perbandingan Harga ARD dari Model Yang Digunakan Model
ARD (%) Korelasi
Prediksi
Wilson
2,76
8,54
UNIQUAC
2,52
8,48
Indikasi untuk menunjukkan model mana yang lebih baik digunakan untuk mendapatkan parameter biner pada sistem terner yaitu dengan mengetahui nilai deviasi untuk setiap model dan campuran yang dinyatakan dalam average absolute deviation. Menurut tabel di atas terlihat bahwa persamaan UNIQUAC memiliki harga % ARD yang lebih kecil dibandingkan dengan persamaan Wilson. Hal ini membuktikan bahwa persamaan UNIQUAC lebih teliti dibandingkan dengan persamaan Wilson.
KESIMPULAN Berdasarkan hasil ekperimen dan pembahasan di bab sebelumnya dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Validasi peralatan ebulliometer dilakukan dengan cara membandingkan data tekanan uap murni hasil eksperimen dengan data literatur untuk tiap - tiap komponen, diperoleh harga ARD untuk ethanol murni sebesar 1,86 % , isooctane sebesar 1,98 %, dan 1-butanol sebesar 2,26 % 2. Penambahan 1-butanol di dalam campuran terner isooctane-ethanol-1-butanol dapat menurunkan tekanan uap campuran tersebut, dimana pada penambahan 2,5 % berat 1butanol pada campuran biner isooctane 95 % dan ethanol 5 % dapat menurunkan tekanan uap sekitar 0,13 – 0,93 kPa pada range temperatur 302,5 – 310,35 K. 3. Berdasarkan korelasi dengan menggunakan persamaan Wilson dan UNIQUAC dari data hasil eksperimen sistem terner, persamaan Wilson memberikan harga ARD sebesar 2,76 %, sedangkan dengan persamaan UNIQUAC didaptkan harga ARD sebesar 2,52 %. 4. Data parameter biner sistem isooctane-ethanol, isooctane-1-butanol, ethanol-1-butanol digunakan untuk memprediksi sistem terner isooctane-ethanol-1-butanol dengan menggunakan persamaan Wilson dan UNIQUAC. Dari hasil prediksi, persamaan Wilson memberikan harga ARD sebesar 8,54 % dan persamaan UNIQUAC memberikan harga ARD sebesar 8,48 %.
DAFTAR PUSTAKA Akbar Z., Wibawa G. Tekanan uap campuran ethanol-n-butanol-isooctane. Seminar Nasional Fundamental dan Aplikasi Teknik Kimia, Surabaya 5 Nopember. 2008. Demirbas A. Hazardous emmisions, global climate change and environmental precautions. Energy Sources B. 1 (2006) 75 - 84. Fang.W, Sun.H, Guo.Y, Lin.R. Investigation of bubble-point vapor pressures for mixtures of an endothermic hydrocarbon fuel with ethanol. Fuel 84 (2005). 825 – 831. French R., Malone P. Phase equilibria of ethanol fuel blends. Fluid Phase Equilibria. 27 - 40 (2005) 228 - 229. Guo. Y, Yang. F, Xing.Y, Li. D, Fang. W, Lin. R. Buble Point Vapor Pressure Measurement for System JP-10 and Tributylamine by an Inclined Ebulliometer. Energy & Fuels. 22 (2008) 510-513. Hatzioannidis. I, Voutsas. C. E, Lois. E, Tassios. P.D. Measurement and Prediction of Reid Vapor Pressure of Gasoline in the Presence of Additives. J. Chem. Eng. Data. 43 (1998) 386 - 392. Lyons, James M, et al. Potential Evaporative Emission Impacts Associated with the Introduction of Ethanol-Gasoline Blends in California. American Methanol Institute (2000) 6 - 11. Li H., Han S., Teng Y.Bubble point meassurement for system chloroform-ethanol-benzene by inclined ebbuliometer. Fluid Phase Equilib. 113 (1995) 185 - 195. Polling, B.E, Prausnitz, J.M dan O’Connell, J.P. The Properties of Gases and Liquids, 5th edition. Singapore: Mc Graw-Hill International Editions. (2004) 274. Pumphrey.J.A, Brand.J.I, Scheller.W.A. Vapour pressure measurements and predictions for alcohol-gasoline blends. Fuel 79 (2000) 1405 - 1411. Rogalski. M, Malanowski. S. Ebulliometer Modified for The Accurate Determination of Vapor Liquid Equilibrium. Fluid Phase Equilib. 5 (1980) 97 - 112. Rothman H., Greenshields R., Calle FR. The alcohol economy: fuel ethanol and Brazilian experience . London: Francis Printer. (1983). Smith, J.M & Van Ness, H.C. Chemical Engineering Thermodynamics Sixth Edition, New York : Mc. Graw Hill Book Company. (2001). Sun H, Fang W, Guo Y, Lin R. Investigation of bubble-point vapor pressures for mixtures of an endothermic hydrocarbon fuel with ethanol. Fuel. 84 (2005) 825 – 831. Tan T. C. , Gan S. H. Vapour Liquid Equilibria of Water/Ethanol/1-butanol/Salt Prediction and Experimental Verification. Icheme. (2005) 1361 - 1371. Wagner. W. A New Correlation Method Thermodynamic Data Applied to the Vapor Pressure Curve of Argon, Nitrogen, and Water. IUPAC Thermodynamic Table Project Centre, London. (1977) Wen C-C., Tu C-H. Vapor-Liquid equlibria for binary and ternary mixtures of ethanol, 2butanone, and 2,2,4-trimethylpentane at 101,3 kPa. Fluid Phase Equilibria. 258 (2007) 131 139. Wilson, G. M. Vapor-Liquid Equilibrium. XI. A New expression for the excess free energy of mixing. J. Am. Chem. Soc. 86 (1964) 127 - 130. Xi Li C., Zhao J. Jiang X-C., Wang Z-H. Vapor pressure measurement for binary and ternary systems containing a phosphoric ionic liquid. Fluid Phase Equilibria 247 (2006) 190–198. Yu J. Corripo AB, Harrison OP, Copeland RJ. Analysis of The Sorbent Energy Transfer System (SETS) for power generation and CO2 Capture. Adv Environ. 7 (2003) 335 - 345.
