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
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.
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: kuswandi@chem-eng.its.ac.id
III. HASILDANPEMBAHASAN 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 :
(1) (2) (3) Berikut ini adalah hasil validasi program pada sistem biner dengan menggunakan metode UNIFAC :
Tabel 1. Deviasi Perhitungan Kesetimbangan Uap-Cair Metode UNIFAC dengan Literatur untuk Sistem Biner
Senyawa Kondisi AAD (%)
(P atau T)
AAD( %) (y1)
Metanol (1) + water (2) Isotermal
(323,15 K) 0,073 0,2 2,3-dimethylbutane (1) +
chloroform (2)
Isobarik
(101,3 kPa) 0,052 1,02 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 AAD(%)
(P atau T) AAD(%) y1 Acetone (1) + methanol (2) + cyclohexane (3) Isotermal (318,15 K) 0,39 0,95 Acetone (1) + butanone (2) + ethyl acetate (3) Isobarik (101,3 kPa) 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.
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) (5) (6) Berikut ini adalah hasil validasi program pada sistem biner dengan menggunakan model UNIQUAC :
Tabel 3. Deviasi Perhitungan Kesetimbangan Uap-Cair Model UNIQUAC dengan Literatur untuk Sistem Biner
Senyawa Kondisi
%Error (P atau T) %Error y1 Jurnal Perhitungan Jurnal Perhitungan
2-propanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2)[1] Isobarik (101,3kPa) 0,23 0,21 0,005 0,0054 2-propanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2)[2] Isotermal (348,15 K) 2,98 1,25 0,031 0,016 TAME (1) + 2,2,4-trimethylpentane[3] Isobarik (101,3kPa) 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 %Error (P atau T) %Error y1
Jurnal Perhitungan Jurnal Perhitungan
TBA (1) + TAME (2) + 2,2,4-trimethylpentane (3) Isobarik (101,3 kPa) 0,67 0,023 0,35 0,0024 DIPE (1) + ethanol (2) + 2,2,4-trimethylpentane (3) Isotermal (333,15 K) - - 0,0184 0,0181 catatan :
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
gasoline-oxygenated 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).
Tabel 5. Deviasi Prediksi Kesetimbangan Uap-Cair
Metode UNIFAC dengan Literatur untuk Sistem
Biner Isotermal
Sistem AAD P (%) Grup (1) AAD P (%) Grup (2) AAD y1 (%) Grup (1) AAD y1 (%) Grup (2) ethanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2) at 333,15 K [8] 4,07 5,4 3,82 6,35 2-propanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2) at 348,15 K [5] 4,09 3,99 4,57 3,86 1-propanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2) at 328,37 K [9] 10,8 2,17 9,65 4,64 TAME + 2,2,4-trimethylpentane at 333,5 K [8] - 1,96 - 4,33 DIPE + 2,2,4-trimethylpentane at 333,15 K [7] 13,49 3,75 18,42 3,32Tabel 6. Deviasi Prediksi Kesetimbangan Uap-Cair
Metode UNIFAC dengan Literatur untuk Sistem
Biner Isobarik
Sistem AAD T (%) Grup (1) AAD T (%) Grup (2) AAD y1 (%) Grup (1) AAD y1 (%) Grup (2) ethanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2) at 101,3 Kpa [10] 0,27 0,27 4,80 3,4 2-propanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2) at 101,3 Kpa [5] 0,47 0,33 10,29 5,15 2-propanol (1) + 2,2,4-trimethylpentane (2) at 101,3 Kpa [11] 0,6 0,45 27 4,6 TAME + 2,2,4-trimethylpentane at 101,3 Kpa [6] - 0,31 - 4,86 DIPE + 2,2,4-trimethylpentane at 101,3 Kpa [12] 1,4 0,56 15 6,38Sebagai contoh, pada system 2-propanol
dengan rumus bangun :
Dimana pada grup (1) digunakan second group : CH3
(2x) ; CH (1x) dan OH (1x). Dan grup (2) digunakan
second group : CH
3OH (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.
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
UNIFAC-nya 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.
CH3 OH
CH CH3
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 :
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) + 2,2,4-trimethylpentane (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 %.
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) + 2,2,4-trimethylpentane (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 uap-cair pada sistem gasoline-oxygenated compound baik sistem biner maupun terner.
IV. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dan perhitungan yang telah dilakukan diperoleh hasil prediksi dan perhitungan kesetimbangan uap-cair 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) + 2,2,4-trimethylpentane(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
0,21% AAD T untuk model UNIQUAC dan 0,33 % AAD T untuk metode UNIFAC.
DAFTARPUSTAKA
[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 vapor-liquid equilibria for 2-propanol + octane and 2-propanol + 2,2,4-trimethylpentane at 348.15 K”. Fluid Phase Equilibria 125 (1996) 79-87.
[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 + 2,2,4-trimethylpentane”. 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-N-Hexane”. 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 2,2,4-trimethylpentane 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.
