Distilasi Bertingkat: Mengapa Minyak Mentah Tidak Cukup Dipanaskan Satu Kali

Mengapa satu tahap penguapan tidak menghasilkan fraksi murni

Minyak mentah bukan satu zat tunggal, melainkan campuran ratusan senyawa hidrokarbon yang titik didihnya saling berdekatan [1]. Apabila campuran semacam ini dipanaskan, uap yang terbentuk tidak pernah terdiri atas satu komponen saja. Pada kesetimbangan uap-cair, komposisi uap y dan komposisi cairan x terhubung melalui nilai K, yaitu y = K dikali x, dan nilai K setiap komponen berbeda menurut volatilitasnya. Komponen ringan memang menguap dalam proporsi yang lebih besar, tetapi komponen berat selalu ikut terbawa dalam porsi yang ditentukan oleh kesetimbangan, bukan oleh kehendak operator.

Di sinilah miskonsepsi yang paling umum perlu diluruskan. Satu kali pemanasan hanya menyediakan satu tahap kesetimbangan, yakni satu kali penguapan dan satu kali kondensasi. Hasilnya adalah uap yang lebih kaya komponen ringan dan cairan sisa yang lebih kaya komponen berat, namun keduanya tetap merupakan campuran. Tidak terdapat mekanisme di dalam satu tahap penguapan yang mampu memaksa bensin memisahkan diri secara tuntas dari kerosin dan solar, karena ketiganya menguap secara bersamaan dengan perbandingan yang diatur oleh termodinamika [2].

Kolom bertingkat sebagai tumpukan puluhan tahap kesetimbangan

Kolom distilasi menyelesaikan persoalan tersebut dengan menumpuk puluhan tahap kesetimbangan di dalam satu menara. Pada setiap tray, uap yang naik dari tray di bawahnya bertemu dengan cairan yang turun dari tray di atasnya. Komponen ringan berpindah ke fase uap dan komponen berat berpindah ke fase cair, kemudian kedua fase berpisah dan melanjutkan perjalanan ke arah yang berlawanan [1]. Satu kontak semacam ini setara dengan satu tahap penguapan kecil. Apabila ditumpuk puluhan kali, efek pemisahan terakumulasi dari tahap ke tahap.

Aliran dua arah inilah mekanisme utamanya. Uap menjadi semakin kaya komponen ringan setiap kali naik satu tray, sedangkan cairan menjadi semakin kaya komponen berat setiap kali turun satu tray. Di dalam kolom tidak terdapat saringan, membran, atau reaksi kimia. Yang bekerja adalah kesetimbangan fase yang diulang secara sistematis, dan karena itu distilasi digolongkan sebagai pemisahan fisik yang berbasis pada perbedaan volatilitas [3].

Gradien suhu sebagai peta posisi setiap fraksi

Karena uap yang paling ringan hanya dapat bertahan sebagai uap di tempat yang relatif dingin, kolom distilasi secara alami membentuk gradien suhu, yaitu paling panas di bagian bawah dan paling dingin di bagian atas [4]. Setiap fraksi terkondensasi dan diambil pada ketinggian yang suhunya dekat dengan titik didihnya. Fraksi yang paling volatil berkumpul di puncak, fraksi menengah berada di badan kolom, dan fraksi terberat tidak pernah sempat menguap sehingga keluar sebagai residu di dasar.

Gradien tersebut tidak dipaksakan oleh operator dari luar. Gradien itu lahir dari komposisi itu sendiri: cairan di bagian bawah kaya komponen berat sehingga mendidih pada suhu tinggi, sedangkan cairan di bagian atas kaya komponen ringan sehingga mendidih pada suhu rendah. Membaca kolom distilasi pada dasarnya adalah membaca peta suhu tersebut, dari bawah ke atas, dari yang berat ke yang ringan [2].

Kesalahan penafsiran yang paling sering terjadi

Kesalahan pertama adalah menganggap kolom bekerja seperti penyaring yang menahan fraksi berat secara mekanis. Di dalam kolom tidak terdapat pori dan tidak terdapat ayakan; yang ada hanyalah kontak uap-cair yang berulang. Kesalahan kedua adalah mengira setiap tray mengeluarkan produk jadi. Tray hanyalah tempat bertemunya dua fase untuk bertukar komponen, sedangkan produk diambil hanya pada beberapa titik tertentu yang dipilih sesuai dengan jendela titik didih fraksinya [1].

Kesalahan ketiga, dan yang paling mahal, adalah meremehkan kedekatan titik didih antarfraksi. Karena titik didih ratusan senyawa di dalam minyak mentah saling tumpang tindih, batas antarfraksi tidak pernah setajam yang dibayangkan. Distilasi bertingkat tidak menjanjikan kemurnian absolut dalam satu langkah, melainkan pemisahan bertahap yang semakin rapi setiap kali satu tahap ditambahkan. Itulah sebabnya jumlah tahap menjadi variabel desain yang sangat menentukan [3].

Satu kolom utama di kilang nyata

Prinsip ini bekerja setiap hari di kilang minyak. Kilang Balongan memisahkan minyak mentah menjadi LPG, bensin, kerosin, solar, sampai aspal, dan semuanya bermula dari satu kolom distilasi utama. Gas dan bensin dihasilkan dari bagian atas kolom yang dingin, kerosin dan solar dari bagian tengah, sedangkan aspal berasal dari residu di dasar yang paling panas.

Tanpa kolom bertingkat ini, rantai pasok bahan bakar tidak akan terbentuk. Bensin di SPBU bukan hasil satu kali pemanasan yang kebetulan berhasil, melainkan hasil puluhan tahap kesetimbangan yang ditumpuk di dalam satu menara dan dijaga secara terus-menerus [4].

Kesimpulannya

Kesimpulannya, minyak mentah tidak cukup dipanaskan satu kali karena kesetimbangan uap-cair tidak mengizinkan satu tahap menghasilkan fraksi yang murni. Kolom bertingkat merupakan jawaban rekayasanya, yakni menumpuk puluhan tahap kecil sampai pemisahannya menjadi rapi. Artikel ini layak disimpan sebagai fondasi, karena konsep tahap kesetimbangan yang sama akan muncul kembali pada pembahasan reflux, jumlah tray, dan hampir seluruh operasi pemisahan di pabrik.