Prediksi Kesetimbangan Uap-Cair Isotermal dan Isobarik pada Sistem Gasoline-Oxygenated Compound dengan Metode UNIFAC Dan UNIQUAC

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

1

Prediksi Kesetimbangan Uap-Cair Isotermal dan Isobarik pada Sistem Gasoline-Oxygenated Compound dengan Metode UNIFAC Dan UNIQUAC Yahya Happy Mandala, Muhammad Gani Putra, dan Kuswandi Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected]

Abstrak—Penelitian ini bertujuan memperoleh data kesetimbangan uap-cair dari sistem gasoline-oxygenated compound isotermal dan isobarik dengan menggunakan metode UNIFAC dan UNIQUAC. Penelitian ini terdiri dari beberapa tahap. Tahap pertama membuat program perhitungan kesetimbangan uap-cair. Tahap kedua memvalidasi program dengan membandingkan hasil perhitungan penelitian dengan data literatur. Tahap ketiga program yang valid digunakan untuk menghitung kesetimbangan uap-cair sistem gasoline-oxygenated compound. Pada penelitian ini gasoline direpresentasikan sebagai isooctane sedangkan oxygenated compound direpresentasikan dengan alkohol dan ether. Pada penelitian ini diperoleh hasil prediksi dan perhitungan kesetimbangan uap-cair isotermal dan isobarik pada sistem gasoline-oxygenated compound dengan baik yaitu %AAD yang kurang dari 10% pada sistem biner maupun terner. Deviasi terbesar ditunjukkan pada sistem ethanol(1) + 2,2,4-trimethylpentane(2) pada 333.15 K yaitu sebesar 5,4% AAD P dan 6,35% AAD y1. Kata Kunci—Kesetimbangan uap-cair, isooctane, alkohol, ether, UNIFAC, UNIQUAC, isotermal, isobarik.

I. PENDAHULUAN

K

ebutuhan energi di Indonesia masih tergantung dengan sumber energi fosil khususnya minyak bumi. Kebutuhan energi ini terutama pada aspek transportasi. Dalam mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil khususnya penggunaan energi di bidang transportasi serta mengurangi emisi karbon maka pemerintah mengeluarkan Peraturan Presiden No. 5 tahun 2006 mengenai kebijakan energi nasional. Pada pasal 2 disebutkan bahwa konsumsi minyak bumi pada tahun 2025 kurang dari 20% dan penggunaan biofuel bertambah menjadi lebih dari 5%. Dengan adanya perpres tersebut diharapkan mampu menekan konsumsi energi fosil terutama minyak bumi. Biofuel adalah bahan bakar yang berasal dari bahan organik. Biofuel merupakan salah satu sumber energi alternatif yang dapat diperbaharui. Biofuel ini memiliki kelebihan, yang pertama biofuel menghasilkan gas emisi yang lebih kecil dibanding bahan bakar minyak sehingga biofuel lebih ramah lingkungan. Biofuel memiliki nilai oktan lebih tinggi dibandingkan dengan bahan bakar minyak. Dan yang terpenting biofuel ini merupakan zat additive pada bahan bakar minyak atau yang disebut dengan oxygenated compound. Oxygenated compound merupakan salah satu senyawa organik yang mengandung oksigen yang dapat meningkatkan

kesempurnaan pembakaran gasoline pada mesin selain itu juga dapat meningkatkan nilai oktan bahan bakar [1]. Oxygenated compound meliputi senyawa alkohol dan ether. Oxygenated compound yang paling luas digunakan yaitu etanol yang merupakan bahan bakar alternatif yang dapat diperbaharui. Dalam penelitian ini gasoline direpresentasikan dengan isooctane karena isooctane ini merupakan komponen utama dari gasoline. Kualitas dari gasoline ditentukan dari kandungan isooctane dimana menurut literatur [2] isooctane ini digunakan sebagai sebuah standar untuk 100 poin dari standard octane rating scale dan n-heptane untuk 0 poin dari standard octane rating scale. Sehingga jika menggunakan isooctane untuk representasikan gasoline maka equal dengan gasoline oktan number 100 (kualitas tinggi). Sedangkan untuk reprentasikan oxygenated compound digunakan alkohol dan ether. Untuk mempelajari perilaku campuran gasoline dan oxygenated compound maka diperlukan data Vapor Liquid Equilibria (VLE) atau kesetimbangan uap–cair. Hingga saat ini ketersediaan data kesetimbangan masih terbatas, baik untuk jenis sistem fluida maupun rentang operasinya. Untuk mengatasi keterbatasan ini, dilakukan upaya prediksi data kesetimbangan uap-cair dengan menggunakan metode UNIFAC dan persamaan UNIQUAC. II. METODOLOGI Metode penelitian yang akan dilakukan terdiri dari beberapa langkah, langkah pertama yaitu studi literatur, dalam hal ini mencari data serta persamaan-persamaan yang digunakan dalam perhitungan. Langkah kedua, yaitu membuat program perhitungan koefisien aktivitas dan kesetimbangan uap-cair dengan metode UNIFAC dan persamaan UNIQUAC. Langkah ketiga, yaitu memvalidasi program dengan membandingkan data hasil perhitungan program dengan hasil perhitungan literatur atau dengan membandingkan hasil deviasi program dengan deviasi jurnal. Langkah terakhir, yaitu membandingkan antara hasil prediksi dengan metode UNIFAC maupun perhitungan dengan persamaan UNIQUAC dengan data eksperimen dari jurnal antara sistem gasoline-alcohol dengan gasoline-ether dan ether-alcohol-gasoline.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Validasi Program Metode UNIFAC Validasi dilakukan dengan cara membandingkan hasil perhitungan penelitian dengan hasil perhitungan yang ada di literatur[3] pada contoh 8-13 untuk sistem biner methanol (1) + water (2) pada 323.15 K dan contoh 8-14 untuk sistem biner 2,3-dimethylbutane (1) + chloroform (2) pada 101.3 kPa. Deviasi Perhitungan Kesetimbangan Uap-Cair Metode UNIFAC dengan Literatur dihitung menggunakan persamaan :

2

B. Validasi Program Model UNIQUAC Validasi program model UNIQUAC ini menggunakan metode membandingkan hasil deviasi dari perhitungan penelitian dengan deviasi pada jurnal. Data yang digunakan untuk memvalidasi hasil penelitian ini untuk sistem alcohol + isooctane diambil dari jurnal [4]; [5]. Sedangkan untuk sistem ether + isooctane diambil dari jurnal ilmiah [6]. Pada validasi Program Model UNIQUAC digunakan persamaan RMSD dalam menghitung deviasi. RMSD dihitung berdasarkan persamaan : (4)

(1) (2)

(5)

(3)

(6)

Berikut ini adalah hasil validasi program pada sistem biner dengan menggunakan metode UNIFAC :

Berikut ini adalah hasil validasi program pada sistem biner dengan menggunakan model UNIQUAC :

Tabel 1. Deviasi Perhitungan Kesetimbangan Uap-Cair Metode UNIFAC dengan Literatur untuk Sistem Biner

Tabel 3. Deviasi Perhitungan Kesetimbangan Uap-Cair Model UNIQUAC dengan Literatur untuk Sistem Biner

Senyawa

Kondisi

AAD (%) (P atau T)

AAD( %) (y1)

Senyawa

Kondisi

Metanol (1) + water (2)

Isotermal (323,15 K)

0,073

0,2

2-propanol (1) + 2,2,4trimethylpentane (2)[1]

Isobarik (101,3kPa)

2,3-dimethylbutane (1) + chloroform (2)

Isobarik (101,3 kPa)

0,052

1,02

2-propanol (1) + 2,2,4trimethylpentane (2)[2]

Isotermal (348,15 K)

TAME (1) + 2,2,4trimethylpentane[3]

Isobarik (101,3kPa)

Pada Tabel 1. di atas dapat ditunjukkan hasil prediksi yang akurat dengan ditunjukkan hasil deviasi yang kecil (kurang dari 1%). Sehingga program metode UNIFAC ini dapat digunakan dalam prediksi kesetimbangan uap-cair system biner. Sedangkan pada sistem terner diambil data dari referensi yang sama yaitu pada contoh 8-15 untuk sistem acetone (1) + methanol (2) + cyclohexane pada 318.15 dan contoh 8-16 untuk sistem acetone (1) + butanone (2) + ethyl acetate (3) pada760 mmHg. Dan dibawah ini adalah tabel deviasi dari perbandingan hasil penelitian dengan literatur. Tabel 2. Deviasi Perhitungan Kesetimbangan Uap-Cair Metode UNIFAC dengan Literatur untuk Sistem Terner Senyawa

Kondisi

Acetone (1) + methanol (2) + cyclohexane (3) Acetone (1) + butanone (2) + ethyl acetate (3)

Isotermal (318,15 K) Isobarik (101,3 kPa)

AAD(%) (P atau T)

AAD(%) y1

0,39

0,95

0,091

0,3

Dari hasil persen Average Absolute Deviation (AAD) Tabel 2. diatas dapat menunjukkan bahwa program dengan metode UNIFAC ini dapat digunakan untuk menghitung kesetimbangan uap-cair pada sistem terner secara akurat dengan ditunjukkan persen deviasi yang kecil (kurang dari 1%). Sehingga dapat disimpulkan program ini valid dalam memprediksi kesetimbangan uap-cair baik sistem biner maupun terner.

%Error (P atau T) Jurnal Perhitungan

Jurnal

%Error y1 Perhitungan

0,23

0,21

0,005

0,0054

2,98

1,25

0,031

0,016

0,44

0,018

0,0024

0,001

catatan : 1. [1] dan [2] %error dihitung dengan menggunakan rumus RMSD pada persamaan 4,5,6 2. [3] %error dihitung dengan menggunakan rumus AAD pada persamaan 1,2

Dari Tabel 3. di atas dapat ditunjukkan deviasi perhitungan penelitian mendekati deviasi jurnal. Hal ini membuktikan bahwa program model UNIQUAC ini mampu menghitung kesetimbangan uap-cair sistem biner secara baik. Sedangkan pada sistem terner data eksperimen diambil dari referensi jurnal [6] dan [7]. Berikut ini adalah hasil validasi program pada sistem terner dengan menggunakan model UNIQUAC : Tabel 4. Deviasi Perhitungan Kesetimbangan Uap-Cair Model UNIQUAC dengan Literatur untuk Sistem Terner Senyawa

Kondisi

TBA (1) + TAME (2) + 2,2,4-trimethylpentane (3)

Isobarik (101,3 kPa)

DIPE (1) + ethanol (2) + 2,2,4-trimethylpentane (3)

Isotermal (333,15 K)

%Error (P atau T) Jurnal Perhitungan

Jurnal

%Error y1 Perhitungan

0,67

0,023

0,35

0,0024

-

-

0,0184

0,0181

catatan : %error dihitung dengan menggunakan rumus AAD pada persamaan 1,2,3

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

Berdasarkan hasil deviasi pada Tabel 4. diatas dapat menunjukkan bahwa program dengan model UNIQUAC ini dapat digunakan untuk menghitung kesetimbangan uap-cair pada sistem terner dengan akurat dengan ditunjukkan deviasi penelitian mendekati deviasi jurnal. Secara keseluruhan program dengan model UNIQUAC ini dapat digunakan untuk menghitung kesetimbangan uap-cair baik biner maupun terner dengan inputan parameter UNIQUAC yang telah diketahui terlebih dahulu. C. Hasil Perhitungan

Pada Tabel 5-6 ditunjukkan hasil deviasi dari prediksi metode UNIFAC pada sistem gasolineoxygenated compound pada sistem biner. Pada kedua tabel tersebut ditunjukkan terdapat dua grup yaitu grup (1) dan grup (2). Grup (1) digunakan untuk sistem alcohol yaitu (OH) dan ether yaitu (CHO). Dan sedangkan grup (2) digunakan untuk system alcohol yaitu (CH3OH) dan ether yaitu (CH3O).

3

Dimana pada grup (1) digunakan second group : CH3 (2x) ; CH (1x) dan OH (1x). Dan grup (2) digunakan second group : CH3OH (1x) ; CH3 (1x) ; CH (1x) Berdasarkan kedua Tabel 5-6 di atas dapat ditunjukkan bahwa hasil dari prediksi kesetimbangan uap-cair baik kondisi isotermal maupun isobaric pada grup 2 diperoleh hasil yang lebih akurat dibandingkan grup 1. Hal ini ditunjukkan sebagian besar deviasi prediksi dengan eksperimen grup 2 lebih kecil dibandingkan grup 1. Hal ini menunjukkan bahwa pada prediksi UNIFAC diperlukan pemilihan grup yang tepat dan berdasarkan hasil penelitian ini dapat disimpulkan dalam pemilihan grup dipilih grup dengan second group terpanjang rumus bangunnya dalam satu main group. Atau seperti pada alkohol dipilih main group terpanjang rumus bangunnya yaitu (CH3OH). Sebagai contoh dapat dilihat pada Gambar 1 dan 2.

Tabel 5. Deviasi Prediksi Kesetimbangan Uap-Cair Metode UNIFAC dengan Literatur untuk Sistem Biner Isotermal Sistem

ethanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2) at 333,15 K [8] 2-propanol (1) + 2,2,4trimethylpentane (2) at 348,15 K [5] 1-propanol (1) + 2,2,4trimethylpentane (2) at 328,37 K [9] TAME + 2,2,4-trimethylpentane at 333,5 K [8] DIPE + 2,2,4-trimethylpentane at 333,15 K [7]

AAD P (%) Grup (1) 4,07

AAD P (%) Grup (2) 5,4

AAD y1 (%) Grup (1) 3,82

AAD y1 (%) Grup (2) 6,35

4,09

3,99

4,57

3,86

10,8

2,17

9,65

4,64

-

1,96

-

4,33

13,49

3,75

18,42

3,32

Tabel 6. Deviasi Prediksi Kesetimbangan Uap-Cair Metode UNIFAC dengan Literatur untuk Sistem Biner Isobarik Sistem

ethanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2) at 101,3 Kpa [10] 2-propanol (1) + 2,2,4trimethylpentane (2) at 101,3 Kpa [5] 2-propanol (1) + 2,2,4trimethylpentane (2) at 101,3 Kpa [11] TAME + 2,2,4-trimethylpentane at 101,3 Kpa [6] DIPE + 2,2,4-trimethylpentane at 101,3 Kpa [12]

AAD T (%) Grup (1) 0,27

AAD T (%) Grup (2) 0,27

AAD y1 (%) Grup (1) 4,80

AAD y1 (%) Grup (2) 3,4

0,47

0,33

10,29

5,15

0,6

0,45

27

4,6

-

0,31

-

4,86

1,4

0,56

15

6,38

Sebagai contoh, pada system 2-propanol dengan rumus bangun : CH3

CH OH

CH3

Gambar 1. Perbandingan Hasil Prediksi Grup 1 dengan Grup 2 pada sistem 1-Propanol + 2,2,4-trimethylpentane pada 348,15 K Sedangkan perbandingan hasil prediksi sistem alkohol dengan ether diperoleh hasil yang sama dalam artian hasil deviasi kedua sistem ini tidak berbeda jauh. Hal ini dapat disebabkan oleh alkohol dan ether secara susunan rumus kimianya masih sama. Kedua sistem ini sama-sama hanya memiliki molekul O, Yaitu R-OH untuk alkohol dan R-O-R untuk ether. Sehingga karena merupakan bentuk isomer maka hasil prediksi UNIFACnya juga hampir sama. Akan tetapi, secara keseluruhan hasil deviasi dari sistem alkohol maupun sistem ether diperoleh hasil % AAD yang kecil (kurang dari 10%). Sehingga program ini dapat digunakan dalam menghitung kesetimbangan uap-cair pada sistem gasoline-oxygenated compound pada sistem biner, baik sistem alkohol maupun sistem ether.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

Gambar 2. Perbandingan Hasil Prediksi Grup 1 dengan Grup2 pada sistem DIPE + 2,2,4-trimethylpentane pada 333,15 K Penelitian ini menghitung dua sampel sistem terner untuk sistem gasoline-oxygenated compound. Yaitu sistem tert-butyl alcohol (TBA) + tert amyl-methyl ether (TAME) + 2,2,4-trimethylpentane dan diisopropyl-ether (DIPE) + Ethanol + 2,2,4-trimethylpentane. Kedua sistem ini diambil dari jurnal [6] dan [7]. Berikut hasil perhitungan kesetimbangan uap-cair pada sistem terner :

4

Gambar 4.12 Hasil Perhitungan Kesetimbangan Uap-Cair DIPE (1) + Ethanol (2)+ 2,2,4-Trimethylpentane (3) pada 333.15 K ( (---) :UNIFAC , (---) : UNIQUAC, (---) : Eksperimen) Pada sistem DIPE (1) + Ethanol (2) + 2,2,4trimethylpentane (3) pada 333,15 K diatas diperoleh AAD yaitu metode UNIFAC AAD P = 8,99 %, AAD y1 = 7,69 % dan AAD y2 = 7,34 %. Sedangkan untuk metode UNIQUAC AAD P = 2,52 %, AAD y1 = 6,60 %, dan % AAD y2 = 6,12 %. Dari hasil kedua sistem terner di atas, sama seperti pada sistem biner, yaitu hasil prediksi UNIFAC pada kondisi isobarik diperoleh hasil yang lebih akurat dibandingkan dengan isotermal. Dan sedangkan pada perbandingan model UNIQUAC dengan metode UNIFAC, hasil perhitungan model UNIQUAC diperoleh hasil yang lebih mendekati data eksperimen dibandingkan dengan UNIFAC. Akan tetapi, meskipun hasil dari prediksi UNIFAC lebih besar dari UNIQUAC, tetapi hasil prediksi UNIFAC diperoleh deviasi kurang dari 10%. Sehingga secara keseluruhan program ini dapat memprediksi maupun menghitung kesetimbangan uapcair pada sistem gasoline-oxygenated compound baik sistem biner maupun terner. IV. KESIMPULAN

Gambar 4.11 Hasil Perhitungan Kesetimbangan Uap-Cair TBA (1) + TAME (2)+ 2,2,4-Trimethylpentane (3)pada 101,3 KPa ( (---) :UNIFAC , (---) : UNIQUAC, (---) : Eksperimen) Pada sistem TBA (1) + TAME (2) + 2,2,4trimethylpentane (3) pada 101,3 KPa diatas diperoleh AAD yaitu metode UNIFAC AAD P = 0,43 %, AAD y1 = 3,18 % dan AAD y2 = 3,35 %. Sedangkan untuk metode UNIQUAC AAD P = 0,02 %, AAD y1 = 0,67 % dan AAD y2 = 1,35 %.

Dari hasil penelitian dan perhitungan yang telah dilakukan diperoleh hasil prediksi dan perhitungan kesetimbangan uapcair isotermal dan isobarik pada sistem gasoline-oxygenated compound dengan baik yaitu hasil %AAD yang kurang dari 10% pada sistem biner maupun terner. Deviasi terbesar ditunjukkan pada sistem ethanol(1) + 2,2,4trimethylpentane(2) pada 333.15 K yaitu sebesar 5,4% AAD P dan 6,35% AAD y1. Deviasi prediksi metode UNIFAC sistem alkohol maupun sistem ether diperoleh hasil yang sama. Karena kedua senyawa tersebut merupakan isomer maka hasil prediksi UNIFAC-nya juga hampir sama. Hasil perhitungan UNIQUAC lebih akurat bila dibandingkan dengan Prediksi metode UNIFAC. Pada sistem 2-propanol(1) + 2,2,4-trimethylpentane(2) 101.3 kPa yaitu

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 0,21% AAD T untuk model UNIQUAC dan 0,33 % AAD T untuk metode UNIFAC. DAFTAR PUSTAKA [1]

Sugiarto, B., Bismo, S., Arinal. 2007. Analisa Kerja Mesin Otto Berbahan Bakar Premium Dengan Penambahan Aditif Oksigenat Dan Aditif Pasaran. Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin Universitas Syah Kuala. [2] Flores B.E.G, Hernandez J.A, Sanchez F.G, Olivos M.A.A. 2013. “(Liquid-liquid) Equilibria for Ternary and Quartenary Systems of Representative Compounds of Gasoline+Methanol at 293.15 K : Eksperimental Data and Correlation”. Fluid Phase Equilibria 348 (2013)60-69. [3] Poling, B.E., Prausnitz, J.M., dan O’Connel, J.P. 2001. “The Properties of Gasses and Liquids, 5th ed”. Singapore: McGraw-Hill. [4] Hsu C.C., Tu C.H.. 2008. “Isobaric vapor–liquid equilibria for mixtures of tetrahydrofuran, 2-propanol, and 2,2,4-trimethylpentane at 101.3 kPa”. Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 39 (2008) 265–273 [5] Toshihiko, H., Tomoya T dan Hongo, M. 1996. “Isothermal vaporliquid equilibria for 2-propanol + octane and 2-propanol + 2,2,4trimethylpentane at 348.15 K”. Fluid Phase Equilibria 125 (1996) 7987. [6] Loras S., Aucejo A., Muñoz R., Torre J.. 2000. “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 175 (2000) 125–138. [7] Kim H.D., Hwang I.C., and Park S.J.. 2009. “Isothermal vapor-liquid equilibrium at 333.15 K and Excess MolarVolumes, Refractive Indices, and Excess MolarEnthalpies at 303.15K for the Binary and Ternary Mixtures of Di-isopropyl Ether, Ethanol, and 2,2,4-trimethylpentane”. J. Chem. Eng. Data 2009, 54, 3051–3058. [8] Hwang I.C., Lee J.Y., Park S.J.. 2009. “Isothermal vapor–liquid equilibrium at 333.15K, excess molar volumes and refractive indices at 298.15K for mixtures of tert-amyl methyl ether + ethanol + 2,2,4trimethylpentane”. Fluid Phase Equilibria 281 (2009) 5–11. [9] Berro C., Neau E., Rogalski M.. 1981. “Vapour-Liquid Equilibrium Of The Systems 1-Propanol-2,2,4-Trimethylpentane And 2-Propanol-NHexane”. Fluid Phase Equilibria, 7 (1981) 41-54. [10] Wen C.C., Tu C.H.. 2007. “Vapor–liquid equilibria for binary and ternary mixtures of ethanol, 2-butanone, and 2,2,4-trimethylpentane at 101.3 kPa”. Fluid Phase Equilibria 258 (2007) 131–139. [11] Lin D.Y, Tu C.H. 2012. “(Vapour + liquid) equilibria for binary and ternary mixtures of 2-propanol, tetrahydropyran, and 2,2,4trimethylpentane at P = 101.3 kPa”. J. Chem. Thermodynamics 47 (2012) 260–266 [12] Ku H.C., Tu C.H.. 2006. “Vapor–liquid equilibria for binary and ternary mixtures of diisopropyl ether, ethanol, and 2,2,4-trimethylpentane at 101.3 kPa”. Fluid Phase Equilibria 248 (2006) 197–205.

5