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) + 2-

propanol (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 atmosfer 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

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

Gambar 1. Peralatan Ebuliometer

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 selajutnya dikorelasikan dengan model 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.

Pada kesetimbangan uap-cair untuk sistem ethanol + 2-propanol, persamaan model NRTL dapat

merepresentasikan data percobaan sama baiknya dengan persamaan model Wilson. Persamaan

349

350

351

352

353

354

355

0 0,5 1

T (K)

x1, y1

WilsonNRTLx eksperimeny eksperimen

340

345

350

355

360

365

370

375

0 0,5 1

T (K)

x1 , y1

NRTLWilsonx eksperimeny eksperimen

Gambar 2. Kurva kesetimbangan uap-cairT-x-y sistem ethanol (1) + 2-propanol (2)dengan permodelan NRTL dan Wilson

Gambar 2. Kurva kesetimbangan uap -cairT-x-y sistem ethanol (1) + isooctane (3)dengan permodelan NRTL dan Wilson

NRTL memiliki keunggulan pada dua nilai deviasi yaitu Δy1maksimum (0,05106) dan ΔT rata-

rata ( 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 x1 x2 x3T

(K)γ1 γ2 γ3 P1

sat P2sat P3

sat P

1 0.2 0 0.8 345 3.922 2.563 1.126 78.464 67.425 41.846 99.252 0.15 0.05 0.8 345 4.034 2.702 1.117 78.464 67.425 41.846 94.003 0.1 0.1 0.8 345 4.124 2.822 1.108 78.464 67.425 41.846 88.514 0.05 0.15 0.8 345 4.193 2.925 1.101 78.464 67.425 41.846 82.89

Pada tabel tersebut dapat dilihat pengaruh penambahan 2 -propanol 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 ditambahkan 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 + 1-

chlorobutane) 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, 5th 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).