Vapor Liquid Equilibria untuk Sistem Gasoline-Alkohol
Achmad Mubarah, Agung Rasmito, dan Gede Wibawa*.
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111, Indonesia
* Email: [email protected]
Abstrak
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan data VLE sistem biner gasoline-ethanol, gasoline-2-propanol, dan ethanol-2-propanol secara experimen dengan menggunakan peralatan ebulliometer Apparatus termodifikasi. Data yang diperoleh dikorelasikan dengan persamaan Wilson, dan NRTL. Penambahan ethanol dalam Reformate pada 6%
massa campuran menyebabkan tekanan uap campuran meningkat hingga mencapai 10,6 kPa, Sedangkan penambahan 2-propanol dalam Reformate pada 5% massa campuran menyebabkan tekanan uap campuran meningkat hingga mencapai 7,9 kPa. Persamaan NRTL dengan parameter fungsi temperatur memberikan hasil paling baik dalam perhitungan koefisien aktivitas Reformate(1)-Ethanol(2), Reformate(1)-2-Propanol(2), dengan nilai Average Absolute deviasi minimum masing-masing sebesar 2,6 dan 1,1% .
Kata Kunci : Tekanan Uap, Reformate, Alkohol, Emisi Penguapan Abstract
The objective of this work was to determine VLE data of binary systems-ethanol gasoline, gasoline-2-propanol, and ethanol-2-propanol experimentally using modified ebulliometer apparatus. The data were correlated with the Wilson, and NRTL equations. The addition of ethanol in Reformate at 6% mass fraction could increase vapor pressure of a mixture to 10.6 kPa, and the addition of 2-propanol in Reformate up at 5% the mass fraction of mixture could increase vapor pressure of a mixture to 7.9 kPa. NRTL equation with parameter defined as themperature fungtion are the best result by the lowest of Average Absolute Deviation for Reformate(1)-Ethanol(2), and Reformate(1)-2-Propanol(2) systems of 2,6 and 1,1%, respectively.
Key Word: Vapor Pressure, Reformate, Alcohol, Vaporation Emision
1. PENDAHULUAN
Salah satu bahan yang potensial dikembangkan sebagai energi terbarukan adalah ethanol. Di Indonesia dan beberapa negara maju, telah dikembangkan gasoline yang dicampur dengan ethanol dengan komposisi ethanol di dalam gasoline maksimal 10%. Penambahan ethanol dapat meningkatkan Reid Vapor Pressure (RVP). Dengan meningkatnya RVP campuran menyebabkan peningkatan emisi penguapannya. Peningkatan emisi penguapan akan mengakibatkan sejumlah bahan bakar menguap sebelum sempat terbakar (Prakash, 1998).
Beberapa penelitian tentang pengukuran vapor pressure dan kesetimbangan uap–cair pada campuran bahan bakar telah dilakukan oleh Pumprey, Fang, French dan Malone. Pumphrey, dkk (2000), melakukan pengukuran tekanan uap campuran gasoline dengan methanol, ethanol, isopropanol, dan t-butanol pada 37,8 oC (100 oF). Data yang diperoleh, dikorelasikan dengan persamaan Wilson (Wilson, 1964). Fang, dkk (2005) mengukur Tekanan uap pada titik didih untuk campuran kerosene-ethanol. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan ebulliometer. Persamaan Antoine (Antoine, 1888) digunakan dalam mengkorelasikan tekanan uap campuran. Hasil penelitiannya menjelaskan bahwa penambahan ethanol memberikan efek critical pada tekanan uap bahan bakar. French dan Malone (2005) mengkaji kesetimbangan fase campuran fuel oil-ethanol.
Penambahan ethanol ke dalam hidrokarbon memberikan efek pada volatilitas. Model energi Gibbs seperti Wilson, dan NRTL (Renon, 1968) digunakan dalam mengkorelasi campuran hidrokarbon- ethanol.
Dari penelitian terdahulu dapat diketahui, bahwa Penambahan alkohol dalam campuran gasoline meningkatkan tekanan uap campuran, peningkatan tekanan uap campuran tersebut menyebabkan peningkatan emisi penguapannya. Salah satu upaya menurunkan emisi yaitu dengan menambahkan oxygenate (alkohol) lain sehingga dapat menurunkan tekanan uap campuran yang berupa 2- Propanol.
Untuk menemukan komposisi tepat campuran gasoline–ethanol yang ditambahkan 2-propanol, harus memiliki data VLE campuran. Akan tetapi data VLE untuk sistem terner gasoline–ethanol–2–
propanol hingga saat ini belum tersedia. Sehingga perlu dilakukan penelitian untuk mengukur data VLE tersebut, dan pemilihan model penyelesaian yang sesuai dalam mengkorelasikan maupun memprediksi data VLE.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan data VLE sistem biner gasoline-ethanol, gasoline-2-propanol, dan ethanol-2-propanol dengan menggunakan peralatan ebulliometer cell termodifikasi. Data yang diperoleh dikorelasikan dengan persamaan Wilson, dan NRTL.
2. EKSPERIMEN&METODE
Bahan yang digunakan adalah : Gasoline (Reformate) yang diperoleh dari unit VI Refinery Balongan, Pertamina; Ethanol (C2H5OH) diproduksi oleh Merck dengan kemurnian 99,9%; dan 2- Propanol (C3H7OH) diproduksi oleh Merck dengan kemurnian 99,8%.
Dalam penelitian ini alat yang digunakan merupakan Ebulliometer cell termodifikasi yang telah dikembangkan oleh Wibawa (2009). Alat tersebut mempunyai spesifikasi : tinggi 14 cm, OD 5.5 cm, volume 332.5 ml, dan volume liquid 220 ml.
Pengukuran temperatur dilakukan dengan menggunakan Thermocouple Shimaden type SD 15 sebagai sensor Temperaturnya, yang terhubung dengan display Shimaden dengan skala pembacaan 0,1 K. Untuk pengukuran tekanan uap digunakan manometer raksa tipe U dengan diameter 10 mm dan skala pengukuran 1 mmHg. Untuk pengukuran komposisi campuran digunakan neraca analitik OHAUSS dengan akurasi 0,1 mg.
Figure 1. Skema Peralatan Prosedure penelitian
Melakukan validasi unit ebulliometer dengan mengukur tekanan uap bahan murni, Larutan murni (ethanol) dimasukkan dalam ebulliometer cell dan mengisolasinya terhadap lingkungan, kemudian memvakumkan unit ebullimeter hingga mencapai tekanan uapnya, dan memastikan tidak ada kebocoran dalam sistem tersebut selama operasi. Menset-up temperatur hingga 315 K, Kemudian mencatat kenaikan tekanan uap yang terjadi seiring dengan kenaikan temperatur.
Melakukan eksperimen sistem biner dengan membuat larutan campuran biner dengan komposisi tertentu. Campuran tersebut dimasukkan dalam ebulliometer cell dan mengisolasinya terhadap lingkungan, kemudian memvakumkan unit ebullimeter hingga mencapai tekanan uapnya, dan memastikan tidak ada kebocoran dalam sistem tersebut selama operasi. Menset-up temperatur hingga 315 K, Kemudian mencatat kenaikan tekanan uap yang terjadi seiring dengan kenaikan temperatur. Komposisi yang digunakan dalam penelitian ini adalah Penambahan ethanol maksimal 10% berat campuran, dan 2-Propanol maksimal 5% berat campuran.
3. HASIL&PEMBAHASAN Validasi unit ebuliometer cell.
Data yang didapat dalam pengukuran tekanan uap ethanol murni digunakan dalam korelasi persamaan Wagner (Wagner, 1977) untuk dapat diketahui penyimpangannya. Perbandingan antara data pengukuran tekanan uap ethanol murni dengan hasil korelasi diberikan pada Figure 2, dengan menyertakan nilai error yang dinyatakan dalam Average Absolute Deviation (AAD)
.
Figure 2. Tekanan Uap Ethanol murni
Figure 3 merupakan hasil pengukuran tekanan uap dari masing-masing komponen murni dari sistem Reformate-Ethanol-2-Propanol. Data experimen yang didapat dalam pengukuran masing- masing tekanan uap murni tersebut dikorelasikan dengan persamaan Wagner.
Figure 3. Tekanan Uap komponen murni Figure 4. Tekanan Uap campuran biner Pada 311 K.
Eksperimen campuran biner.
Perubahan tekanan uap campuran Reformate(1)-Ethanol(2), dan Reformate(1)-2-Propanol(3) ditunjukkan melalui Figure 4. Penambahan ethanol dalam Reformate hingga 6% massa campuran menyebabkan kenaikan tekanan uap campuran sebesar 10,6 kPa, hal tersebut sesuai dengan referensi. Lyons, dan Delaney (2000) menjelaskan bahwa penambahan ethanol hingga 6% volume pada 100oF mengakibatkan peningkatan tekanan uap hingga 1 psi atau sebesar 6,9 kPa. Sedangkan
Exp. Data Wagner Eq.
T
(kPa)
(K)
P AAD = 4.6 %
300 305 310 315
0 5 10 15 20
Reformate (Exp. Data) Reformate (Wagner Eq.) Ethanol (Exp. Data) Ethanol (Wagner Eq.) 2-Propanol (Exp. Data) 2-Propanol (Wagner Eq.)
T
(kPa)
(K)
P
300 305 310 315
10 20
x
(kPa)
Penambahan Ethanol Penambahan 2-Propanol
1
P
0.9 0.92
0.94 0.96
0.98 201
25 30
penambahan 2-propanol dalam Reformate hingga 5% massa campuran menyebabkan kenaikan tekanan uap campuran sebesar 7,9 kPa.
Perhitungan Parameter Biner pada Sistem Reformate-alkohol dengan Model Wilson dan NRTL Data tekanan uap campuran Refomate-Ethanol, Refomate-2-Propanol dan Ethanol-2-Propanol pada berbagai konsentrasi dan temperature digunakan dalam fitting parameter untuk mendapatkan koefisien interaksi biner campuran tersebut dengan menggunakan model Wilson, dan NRTL. Dari hasil korelasi untuk sistem biner antara ekperiment dan persamaan model diperoleh parameter pada Tabel 1.
Berdasarkan perhitungan korelasi pada setiap model sistem biner dapat dibuat AAD dari data eksperimen dengan perhitungan yang ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 1. Perhitungan Parameter Korelasi Model sistem biner
Campuran Wilson NRTL
NRTL (Parameter modifikasi)
Reformate(1)- Ethanol(2)
a12= 501,634 a21= 1739,84
= b12= 829,988 b21= 829,399
= b120= 1,134 b121=21,178 b122
=-0,055 b210= 1,161 b211=25,403 b212=-0,079
Reformate(1)- 2-Propanol(2)
a12= 706,822 a21= 1863,32
= b12= 1030,89 b21= 954,262
= b120= 1,108 b121=17,199 b122=-0,037 b210= 1,171 b211=26,928 b212=-0,037
Ethanol(1)- 2-Propanol(2)
a12= -80,23 a12= 80,062
= b12= -61,72 b21= 60,585
= b120= 1,000 b121
= 0,500 b122=-0,002 b210= 1,000 b211= 0,500 b212=-0,004
Tabel 2. Perbandingan Harga AAD dari Model Yang Digunakan
Model AAD (%)*
Reformate(1)-Ethanol(2)
Wilson NRTL
NRTL (Parameter modifikasi) Reformate(1)-2-Propanol(2)
Wilson NRTL
NRTL (Parameter modifikasi) Ethanol(1)-2-Propanol(2)
Wilson NRTL
NRTL (Parameter modifikasi)
5,4 5,5 2,6
4,7 5,1 1,1
4,8 4,8 4,8
*
Hasil perhitungan korelasi tekanan uap campuran biner antara Wilson dan NRTL sangatlah berimpit, dan mempunyai deviasi yang masih besar dibandingkan data experimen. Semakin besar temperature operasi menghasilkan deviasi hasil perhitungan yang makin besar pula, maka dilakukan Perhitungan ulang korelasi NRTL dengan mengubah parameter bij menjadi bentuk polynomial derajat 3 sebagai fungsi temperature. Parameter modifikasi NRTL yang dimaksud yaitu:
Hasil yang diperoleh dari korelasi NRTL dengan parameter independent Temperatur tersebut dapat meminimalkan harga error korelasi Tekanan uap dibandingkan parameter umumnya.
4. KESIMPULAN
Dalam experimen ini dihasilkan data campuran biner Reformate-ethanol, Ethanol-2-Propanol, dan Reformate-2-Propanol. Dari data tersebut dikorelasikan dengan menggunakan model Wilson, NRTL, dan NRTL parameter modifikasi. Model NRTL parameter modifikasi cocok digunakan dalam mengkorelasikan tekanan uap campuran Reformate-alkohol. Hal ini dibuktikan dengan hasil deviasi perhitungan korelasi yang lebih baik dibandingkan model Wilson dan NRTL.
DAFTARNOTASI
aij : Paramater Persamaan Wilson AAD : Average Absolute Deviation bij : Parameter Persamaan NRTL
bij(n)
: Parameter Modifikasi Persamaan NRTL P : Tekanan absolut (kPa)
Pisat
: Tekanan uap jenuh komponen i R : Konstanta gas ideal
T : Temperatur (K)
xi : Fraksi massa liquid komponen i : Parameter Persamaan NRTL : Parameter persamaan NRTL DAFTARPUSTAKA
Antoine, (1888), C. C. R. 107. 681, 836.
Fang, W., Sun, H., Guo, Y., Lin, R., (2005), “Investigation of bubble-point vapor pressures for mixtures of an endothermic hydrocarbon fuel with ethanol”, Fuel 84, 825–831.
French, R., Malone, P., (2005), ”Phase equilibria of ethanol fuel blends”, Fluid Phase Equilib. 228, 27–40.
Lyons, M. J., Delaney, S. S., (2000), ”Potential evaporative emmision impacts associated with the introduction of ethanol-gasoline blends in California.”, Sierre Research. Inc, report No. SR00- 01-01, California
Prakash, C., (1998),” Use of higher than 10 volume percent ethanol/gasoline blends in gasoline powered vehicles”, Canada
Pumphrey, J. A., Brand, J. I., Scheller, W. A., (2000), “Vapour Pressure measurements and predictions for alcohol-gasoline blends”, Fuel 79, 1405-1411.
Renon, H., Prausnitz, J. M., (1968),”Local composition in thermodinamic execess function for liquid mixture.”, AIChE J. 40, 135-144
Wagner, W., (1977), ”A new correlation Method Thermodinamic Data Applied to the vapor Pressure Curve of Argon, Nitrogen, and Water.”, J. T. R Watson (trans. and ed.), IUPAC Thermodinamic Tables Project Centre, London.
Wibawa, G., Gunardi, I., Amildesi, V., Oktavian, R., (2009), ”A Simple Ebulliometer for Accurate Measurement of Vapor Pressure of Alcohol-Isooctane Mixtures”, 16th Asean Regional Symposium On Chemical Engineering, Philippines
Wilson, G. M. J., (1964),“A new expression for the excess free energy of mixing“, Am. Chem. Soc.
86 127-130
