KESETIMBANGAN UAP-CAIR SISTEM ETHANOL + 2-PROPANOL + ISOOCTANE PADA TEKANAN ATMOSFERIK Ridho Azwar 2306 100 007, Rachmi Rida Utami 2306 100 020 Dr. Ir. Kuswandi, DEA Laboratorium Thermodinamika Teknik Kimia FTI -ITS
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan data keseimbangan uap -cair sistem biner ethanol (1) + 2-propanol (2) dan ethanol (1) + isooctane (3) dan sistem terner ethanol (1) + 2propanol (2) + isooctane (3) pada tekanan atmosferik. Data VLE untuk sistem ethanol-isooctane pada tekanan atmosferik yang dihasilkan menggunakan Ebulliometer Berro -Rogalsky. Percobaan dilakukan untuk memperoleh data -data T, x dan y untuk sistem terner ethanol (1) + 2-propanol (2) + isooctane (3). Untuk VLE sistem biner, data hasil eksperimen dikorelasikan dengan model persamaan NRTL dan Wilson dan parameter yang didapat dikombinasikan dengan parameter dari literatur kemudian digunakan untuk memprediksi data VLE sistem terner ethanol (1) + 2-propanol (2) + isooctane (3). Hasil prediksi kemudian dibandingkan dengan data eksperimen yang didapatkan. Hasil prediksi model persamaan NRTL memberi nilai Root Mean Square Deviation (RMSD) yang lebih kecil dibanding model Wilson secara berurutan yaitu: 0,04158 dan 0,0782 berdasar fraksi mol uap, serta 3,005 dan 1,5148 berdasar temperatur kesetimbangan.
PENDAHULUAN Seiring dengan menipisnya cadangan bahan bakar berbasis energi fosil, menimbulkan beberapa dampak diantaranya dampak terhadap kebijakan energi. Untuk itu perlu dilakukan berbagai upaya untuk mengurangi konsumsi energi fosil ini. Di samping itu, penggunaan bahan bakar minyak yang berasal dari fosil secara terus menerus sebagai sumber energi utama di dunia menyebabkan meningkatnya konsentrasi CO 2 secara signifikan di atmosf er dan memberikan efek pemanasan global. Salah satu upaya untuk mengurangi emisi yaitu dengan penambahan zat aditif pada bahan bakar. Salah satu zat aditif yang digunakan untuk meningkatkan kesempurnaan pembakaran adalah oxygenated compound. Oxygenated compound dapat dicampur ke dalam bensin untuk menambah angka oktan dan kandungan oksigennya Selama pembakaran, oksigen tambahan di dalam bensin dapat mengurangi emisi karbon monoksida dan material-material pembentuk ozon atmosferik . Untuk mempelajari perilaku campuran gasoline dan oxygenated compound maka diperlukan eksperimen untuk mendapatkan data Vapor Liquid
Equilibria (VLE) atau kesetimbangan uap –cair. Pada penelitian ini menggunakan dua oxygenated compound yaitu: ethanol dan 2-propanol. Sedangkan gasoline dimodelkan dengan isooctane karena gasoline mengandung 80% isooctane. Permodelan thermodinamika untuk VLE sistem ethanol + 2-propanol + isooctane nantinya dapat digunakan untuk memprediksi properti dari gasoline.
METODOLOGI Percobaan dilakukan dalam beberapa tahapan. Tahapan pertama, yaitu melakukan percobaan untuk memperoleh data kesetimbangan uap -cair pada tekanan atmosferik. Data yang diperoleh dari percobaan berupa data T, x dan y. Setelah data-data tersebut diperoleh, dilakukan tes konsistensi termodinamika menggunakan tes luasan Herrington. Data yang telah dites konsistensinya di korelasikan dengan model NRTL dan Wison untuk mendapatkan parameter interaksi. Tahap kedua adalah memprediksi kesetimbangan uap-cair untuk sistem terner dari parameter interaksi yang diperoleh dari percobaan dan literatur , untuk mendapatkan koefisien aktivitas masing-masing komponen, temperatur (T) dan fraksi uap (y) pada kesetimbangan dengan perhitungan buble T. Dari data T, x dan y dapat dibuat ta bel kesetimbangan uap-cair T, x dan y pada tekanan atmosferik.
Prosedur Eksperimen Percobaan kesetimbangan uap -cair ini diawali dengan memasukkan larutan ethanol(1)–2-propanol(2) dengan komposisi tertentu ke dalam tabung umpan (F) menuju boiler (B). Sebelum larutan dipanaskan, kondensor (C) dialiri air pendingin terlebih dahulu.
Setelah
sistem
siap,
larutan
dipanaskan dengan heater, hingga mendidih. Pemanasan larutan mengakibatkan dorongan uap terhadap liquid berupa cincin sepanjang cottrel pump (CP) menuju tabung separator (S). Gelembung yang terbentuk ketika liquida mendidih masuk ke dalam cottrel pump. Dalam tabung separator, fase liquida dan uap akan terpisah. Bagian liquida akan
Gambar 1. Peralatan Ebuliometer
jatuh menuju lubuk liquid (L), yang kemudian akan diambil sebagai sampel fase liquid, dan sisanya kembali menuju boiler (B). Sedangkan, fase uap akan menuju kondensor, mengembun
dan jatuh ke dalam lubuk vapor (V). Sebagian kecil kondensat fase uap akan tertahan dalam lubuk vapor (V), yang kemudian akan diambil sebagai sampel fase uap, dan sebagian akan kembali menuju boiler untuk didihkan kembali. Proses ini terus berulang, hingga sistem mencapai kondisi kesetimbangan yang ditandai oleh suhu yang konstan dalam tabung kesetimbangan. Setelah sistem mencapai kondisi kesetimbangan, sampel fase cair dan uap diambil, kemudian dianalisa dengan densitas dan gas chromatography untuk mengetahui komposisinya.
HASIL DAN PEMBAHASAN Rangkaian data kesetimbangan uap -cair yang diperoleh dari percobaan selanjutnya akan diuji konsistensinya dengan menggunakan tes luasan Herrington. Berdasarkan hasil uji konsistensi Herrington terlihat bahwa baik untuk sistem ethanol + 2 -propanol dan ethanol + isooctane kurang konsisten secara thermodinamika. Dapat dilihat dari nilai konsistensinya yang bernilai lebih dari 10%. Sehingga untuk selanjutnya metode perhitungan yang digunakan adalah Metode Barker, karena data yang digunakan hanyalah data T -x1. Data-data percobaan yang telah diuji konsistensinya tersebut s elajutnya dikorelasikan dengan m odel NRTL dan Wilson, sehingga diperoleh parameter optimal dari kedua permodelan tersebut dan selanjutnya dapat dicari harga koefisien aktifitas tiap komponen dan selanjutnya diperoleh data kesetimbangan uap-cair yang kemudian dibandingkan dengan data percobaan. 375
355
NRTL Wilson x eksperimen y eksperimen
370
354
365
353
360
352 )T (K
)T355 (K
351
350
Wilson NRTL x eksperimen y eksperimen
350 349 0
0,5 x1, y1
345 340 1
Gambar 2. Kurva kesetimbangan uap-cair T-x-y sistem ethanol (1) + 2-propanol (2) dengan permodelan NRTL dan Wilson
0
x1 0,5 , y1
1
Gambar 2. Kurva kesetimbangan uap -cair T-x-y sistem ethanol (1) + isooctane (3) dengan permodelan NRTL dan Wilson
Pada kesetimbangan uap-cair untuk sistem ethanol + 2 -propanol, persamaan model NRTL dapat merepresentasikan data percobaan sama baiknya dengan persamaan model Wilson. Persamaan
NRTL memiliki keunggulan pada dua nilai deviasi yaitu Δy1maksimum (0,05106) dan ΔT ratarata ( 0,2685); sementara persamaan Wilson hanya unggul pada Δy 1 rata-rata (0,0207) dan nilai ΔT maksimum (1,1386) berharga sama. Pada kesetimbangan uap -cair untuk sistem ethanol + isooctane, persamaan NRTL dapat merepresentasikan data percobaan lebih baik daripada persamaan model Wilson. Persamaan NRTL memiliki keunggulan pada tiga nilai deviasi yaitu Δy1 rata-rata (0,3179), ΔT rata-rata (3,1255), dan
ΔT maksimum (7,1126); sementara
persamaan Wilson hanya unggul pada Δy 1 maksimum (0,4196). Dari kedua parameter biner yang telah diperoleh sebelumnya, dapat dibuat prediksi kesetimbangan uap-cair sistem terner etanol (1) + 2-propanol (2) + isooctane (3) pada tekanan atmosferik. Data prediksi dites keakuratannya dengan data percobaan sistem terner yang serupa. Untuk membandingkan keakuratan masing -masing jenis permodelan dengan data eksperimen dan dengan masing-msing permodelan itu sendiri digunakan perhitungan RMSD. Dari hasil perhitungan RMSD didapat nilai RMSD y persamaan NRTL (0,04158) yang lebi h baik daripada persamaan Wilson. Begitu pula dengan nilai RMSD T persamaan NRTL (3,005) yang lebih baik daripada persamaan Wilson. Sehingga dapat disimpulkan bahwa permodelan NRTL dapat merepresentasikan dengan baik sistem ethanol + 2 -propanol + isooctane. Tabel I. Tekanan campuran ethanol (1) + 2 -propanol (2) + isooctane (3)
no 1 2 3 4
T γ1 γ2 γ3 (K) 0.2 0 0.8 345 3.922 2.563 1.126 0.15 0.05 0.8 345 4.034 2.702 1.117 0.1 0.1 0.8 345 4.124 2.822 1.108 0.05 0.15 0.8 345 4.193 2.925 1.101 Pada tabel tersebut dapat dilihat pengaruh x1
x2
x3
P1sat
P2sat
P3sat
78.464 67.425 41.846 78.464 67.425 41.846 78.464 67.425 41.846 78.464 67.425 41.846 penambahan 2 -propanol
P 99.25 94.00 88.51 82.89 dalam
berbagai komposisi pada campuran gasohol pada suhu 345 K. Semakin besar komposisi 2-propanol yang ditambahkan pada campuran gasohol, semakin kecil tekanan campurannya. Sehingga nantinya diharapkan penambahan 2 -propanol pada bahan bakar dapat mengurangi emisi dari gas buang kendaraan bermotor.
KESIMPULAN Berdasarkan penelitian dan analisis yang telah kami lakukan, dapat ditarik kesimpul an bahwa permodelan untuk sistem biner ethanol + isooctane lebih sesuai menggunakan model NRTL dibandingkan menggunakan model Wilson. Harga deviasi Δy1 rata-rata untuk model NRTL adalah 0.3179 dan untuk ΔT rata-rata adalah 3.1255, lebih kecil daripada model Wilson. Sedangkan, permodelan untuk sistem biner ethanol + isooctane lebih sesuai menggunakan
model NRTL dibandingkan menggunakan model Wilson. Harga deviasi Δy1 rata-rata untuk model NRTL adalah 0.0223 dan untuk ΔT rata-rata adalah 0.2685, lebih kecil daripada model Wilson. Untuk sistem terner ethanol+2-propanol+isooctane dapat diprediksikan dengan baik oleh persamaan NRTL dibanding persamaan Wilson dari perbandingan hasil deviasi dengan menggunakan RMSD temperatur (T) dan fraksi uap (y) , dimana RMSD T untuk persamaan Wilson sebesar 8,6403 dan untuk persamaan NRTL sebesar 3,83 . Untuk RMSD y pada persamaan Wilson sebesar 0,2217 dan persamaan NRTL sebesar 0,00364. Berdasarkan perhitungan kesetimbangan uap -cair sistem terner yang telah dilakukan dapat kita prediksi komposisi yang tepat untuk campuran ethanol, 2 -propanol dan isooctane. Dari perhitungan diperoleh, seiring bertambahnya komposisi 2 -propanol yang ditambahk an pada campuran gasohol, maka semakin kecil tekanan campurannya.
DAFTAR PUSTAKA 1. Chen-Ku, Hsu dan Chein-Hsiun Tu. “Vapor–liquid equilibria for binary and ternary mixtures of diisopropyl ether, ethanol, and 2,2,4 -trimethylpentane at 101.3 kPa”. Fluid Phase Equilibria vol 248 (2006) 197-205. 2. Chiang Hsu, Chia dan Chein -Hsiun Tu. “Isobaric vapor –liquid equilibria for mixtures of tetrahydrofuran, 2-propanol, and 2,2,4-trimethylpentane at 101.3 kPa”. Fluid Phase Equilibria (2008) 265-273. 3. Dominguez, M., Mainar, A. M., Pardo, J. dan Santafe, J., “Experimental data, correlation and prediction of isobaric VLE for the ternary mixture (2 -butanol + n-hexane + 1chlorobutane) at 101.3 kPa”. Fluid Phase Equilibria vol 211 (2003) 179-188. 4. Loras, Sonia. dan Antonio Aucejo. “Isobaric vapor–liquid equilibrium for binary and ternary mixtures of 2-methyl-2-propanol + methyl 1,1-dimethylpropyl ether + 2,2,4 trimethylpentane”. Fluid Phase Equilibria vol 175 (2000) 125-138. 5. Perry, R.H., and Green, D. 2008. “Perry’s Engineers’ Hand book 8thed”. New York: McGraw-Hill Book Company. 6. Poling, B.E, Prausnitz, J.M., and O’conel, J.P.2001. “The Properties of Gases and Liquids, 5 th ed”. Singapore: McGraw-Hill International Editions 7. Sugiarto, Bambang., Setyo Bismo., dan Arinal. “ Analisa kinerja mesin otto berbahan bakar premium dengan penambahan aditif oksigenat dan aditif pasaran”. Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin Universitas Syiah Kuala (2007).
