DISTILASI

Distilasi adalah suatu metode pemisahan berdasarkan perbedaan volatilitas dari komponen-komponennya pada suatu cairan yang mendidih (wikipedia.org).

Metode distilasi terbagi menjadi:

A. Flash distillation (equilibrium distillation)Flash distillation adalah salah satu proses distilasi di mana mula-mula cairan yang akan dipisahkan komponen-komponennya dipanaskan terlebih dahulu hingga uap yang dihasilkan mencapai kesetimbangan dengan cairan yang tersisa, lalu uapnya dipisahkan dari cairan, kemudian dikondensasi (McCabe et al, 1993).

Feed yang akan diseparasi dipompa menuju heater untuk menaikkan temperaturnya. Sesudah dipanaskan, campuran itu lalu diturunkan tekanannya pada tangki flash separator. Ketika campuran masuk ke flash separator, uap dan cairan akan terpisah akibat penurunan tekanan. Campuran tersebut didiamkan hingga terbentuk kesetimbangan. Sesudah itu baru uap can cairan dikeluarkaan dari tangki separator secara terpisah (McCabe et al, 1993).

Flash distillation umum terdapat di industri. Meskipun banyak metode-metode separasi yang lain, flash distillation tetap digunakan. Biasanya digunakan untuk pre-separasi sebelum menuju ke proses separasi yang lain, untuk mengurangi beban dari proses separasi berikutnya (McCabe et al, 1993).

Gambar 1: Flash distillation (Geankoplis, 1993).

Pada gambar berikut, suatu campuran yang terdiri dari dua komponen A dan B dialirkan dengan kecepatan F mol/jam ke dalam heater dan sebagian mengalami penguapan. Fraksi mol A di dalam F sebesar xF. Neraca massa komponen A adalah sebagai berikut:

Karena L = F – V, maka persamaan di atas menjadi:

Biasanya variabel yang tidak diketahui adalah variabel x dan y. Untuk menghitung x dan y menggunakan grafik kesetimbangan xy. Perpotongan dari garis persamaan dan garis kesetimbangan merupakan jawabannya (Geankoplis, 1993).

Aplikasi

Salah satu penerapan flash distillation adalah pada proses desalinasi air laut untuk mendapatkan air bersih. Sekitar 50% air bersih hasil desalinasi di dunia diproduksi oleh flash distillation. Ini disebabkan karena flash distillation membutuhkan biaya peralatan lebih sedikit dibandingkan dengan metode-metode lain, utamanya pada pompa. Selain itu, desalinasi ini biasanya diterapkan di negara-negara Timur Tengah, di mana energi tersedia dalam jumlah yang melimpah (Krishna, 1989).

Gambar 2: Proses Desalinasi Air Laut (sidem-desalination.com).

Tangki separator terdiri dari beberapa ruang. Antara ruang pertama (tempat feed masuk) hingga ruang terakhir tekanannya dibuat semakin rendah. Air laut dialirkan melalui heat exchanger di mana air tersebut dipanaskan oleh uap yang terkondensasi pada tiap ruang separator. Sesudah dari heat exchanger, air menuju heater untuk dipanaskan hingga temperatur yang jauh lebih besar dibandingkan kondisi pada tangki separator. Air yang telah dipanaskan lalu menuju separator ruang 1. Akibat perbedaan temperatur dan tekanan antara air dan kondisi separator, air akan langsung melepaskan panas yang dikandungnya, yaitu uap air, hingga mencapai kesetimbangan dengan kondisi ruang. Air yang tersisa lalu dialirkan menuju ruang-ruang berikutnya dan mengalami proses yang sama berulang-ulang hingga ruang terakhir. Air bersih (distilat) dari tiap ruang kemudian dikumpulkan dan dapat digunakan sebagai air bersih (VWS, 2013).

B. Simple Batch atau Differential Distillation

Pada distilasi simple batch, cairan mula-mula dimasukkan ke suatu wadah/tangki yang dipanaskan. Cairan tersebut akan menguap perlahan-lahan, dan uap yang baru terbentuk lalu segera dipisahkan dari wadah tersebut menuju ke kondensor, di mana uap yang terkondensasi (distilat) akan ditampung (Geankoplis, 1993).

Gambar 3: Simple batch distillation (Geankoplis, 1993).

Pada gambar di atas, suatu input L1 mol yang terdiri dari komponen A dan B dengan fraksi mol A sebesar x1 ditempatkan di dalam wadah. Pada tiap waktu, ada sejumlah L mol cairan yang tertinggal di dalam wadah dengan komposisi x dan komposisi komponen A yang menguap sebesar y (Geankoplis, 1993).

Total cairan yang menguap seiring dengan waktu adalah sebesar dL. Komposisi A pada cairan berubah-ubah dari x menjadi x – dx dan jumlah cairan berubah dari L menjadi dL. Neraca massa komponen A adalah jumlah awal = jumlah yang tertinggal di cairan + jumlah yang terkandung di uap (Geankoplis, 1993).

Dengan mengai pada sisi kanan dan mengabaikan dxdL didapat:

Sehingga dengan mengintegralkan didapat:

L1 adalah jumlah mol inputL2 adalah jumlah mol yang tertinggal di wadahX1 adalah komposisi mula-mulaX2 adalah komposisi akhir pada cairan

(Geankoplis, 1993)

Aplikasi

Simple batch distillation hanya digunakan dalam skala kecil, tidak pernah digunakan pada skala besar. Industri yang menggunakan metode ini biasanya adalah industri obat-obatan. Industri obat-obatan menggunakan simple batch distillation ketika feed jumlahnya sedikit, komposisinya bervariasi, spesifikasi kemurnian produk tidak tetap, atau saat feed-nya mengandung padatan (pharmahub.org).

C. Distilasi Uap

Pada tekanan atmosferik kebanyakan cairan bertitik didih tinggi tidak bisa dimurnikan dengan distilasi akibat beberapa komponennya mudah terdekomposisi pada suhu tinggi. Kebanyakan bahan-bahan tersebut tidak dapat larut dalam air, sehingga pemisahan komponen-komponenna dapat dilakukan dengan distilasi uap sederhana (simple steam distillation). Metode ini sering digunakan untuk memisahkan komponen bertitik didih tinggi dari impurities nonvolatil (Geankoplis, 1993)..

Cairan yang terdiri dari komponen yang akan didistilasi dan air akan membentuk dua fase yang berbeda, sehingga tiap komponen memiliki tekanan uapnya masing-masing dan tidak saling mempengaruhi. Jadi, total tekanan uapnya adalah

dimana PA adalah tekanan uap air dan PB adalah tekanan uap komponen B, sehingga komposisi uapnya adalah

Selama kedua fase itu masih ada, campuran akan mendidih pada temperatur yang sama, menghasilkan komposisi uap yA yang konstan. Temperatur mendidih dapat dicari menggunakan kurva tekanan uap dari komponen A dan B murni (Geankoplis, 1993).

Rasio mol B dengan mol A yang terdistilasi adalah:

Dari uraian tersebut, diketahui bahwa dengan metode distilasi uap, selama air masih ada, komponen B akan menguap pada temperatur yang lebih rendah dibandingkan titik didih normalnya (Geankoplis, 1993).

Aplikasi

Gambar 4: Distilasi Uap Minyak Atsiri (Tandon, 2007)

Distilasi uap sering digunakan untuk mendapatkan minyak atsiri dari suatu tanaman. Titik didih dari sebagian besar minyak atsiri melebihi titik didih dari air, dan biasanya berkisar antara 150-300oC, sedangkan minyak atsiri adalah suatu bahan organik yang akan terdekomposisi apabila dikenakan pada temperatur setinggi itu (Tandon, 2007).

Pada distilasi uap minyak atsiri, bagian tanaman yang akan didistilasi (misal: daun nilam pada distilasi minyak nilam, dsb.) dimasukkan pada tangki didistilasi, ditaruh di atas grid (dapat dilihat pada gambar). Uap jenuh yang dihasilkan oleh boiler dimasukkan ke dalam tangki distilasi melalui bagian bawah grid. Uap air dan minyak atsiri akan membentuk campuran dua fase, sehingga jumlah tekanan uap di antara keduanya menyebabkan campuran keduanya dapat menyamai tekanan atmosfer pada temperatur yang lebih rendah (biasanya bisa di bawah 100oC). Uap keduanya akan mengalir menuju ke kondensor, lalu mengembun. Distilat terdiri dari kedua komponen tersebut yang saling tidak larut dan dipisahkan pada proses lebih lanjut (Tandon, 2007).

D. Distilasi Fraksionasi

Rektifikasi (distilasi fraksionasi) atau distilasi bertingkat dengan refluks, adalah proses di mana serangkaian penguapan cairan disusun sedemikian rupa agar uap dan cairan pada tiap tingkatan bisa kontak secara countercurrent. Cairan di dalamnya akan turun ke tingkat di bawahnya, dan uap akan naik ke tingkat di atasnya. Pada tiap tingkat, aliran uap dan aliran cairan akan bertemu, bercampur, dan membentuk kesetimbangan, sehingga aliran uap dan cair yang meninggalkan tingkat tersebut telah dalam kondisi setimbang (Geankoplis, 1993).

Distilasi fraksionasi digunakan ketika selisih titik didih dari komponennya di bawah 25oC pada tekanan 1 atm. Jika selisihnya lebih dari 25oC, distilasi sederhana yang digunakan (wikipedia.org).

Gambar 5: Menara fraksionasi yang mengandung sieve tray (Geankoplis, 1993).

Kolom di dalam tangki distilasi dengan refluks ada dua jenis:

1. Packed tower

Packed tower adalah kolom vertikal yang di dalamnya terdapat setumpuk material packing yang digunakan untuk mengontakkan uap yang naik dengan cairan yang turun di dalam menara. Panas yang diberikan sebelum feed masuk ke menara akan menguapkan sebagian komponen campuran (Norrie, 2010).

Uap akan naik dan mulai mengalami pendinginan. Cairan yang turun akan semakin panas akibat reboiler yang berada di bagian bawah menara. Saat uap yang naik dan cairan yang turun bertemu, komponen yang ringan akan lepas dari cairan dan menjadi fase gas, sedangkan komponen berat yang di dalam uap akan terkondensasi. Semakin naik uap, suhuya akan semakin turun, dan komponen beratnya akan semakin berkurang (Norrie, 2010).

Kualitas produk tergantung pada tinggi menara, jumlah agen pengontak yang ada, temperatur, tekanan, kecepatan uap naik, serta tipe material packing yang digunakan (Norrie, 2010).

Beberapa tipe packing adalah:

a) Raschig Rings

Gambar 6: Raschig Rings (wikipedia.org)

Raschig rings adalah tipe packing yang pertama digunakan. Biasanya memakan biaya yang lebih murah daripada tipe-tipe packing lainnya. Terdapat dalam berbagai jenis bahan, sehingga mudah disesuaikan dengan kondisi. Ketebalan dan dimensi bervariasi, tergantung tiap pembuat. Menyebabkan tekanan yang cukup besar pada sisi dinding menara. Biasanya sering mengalami channeling cairan, menyebabkan cairan mengalir ke sisi dinding. Efisiensinya rendah (Branan, 2005).

b) Ceramic/Berl Saddles

Gambar 7: Ceramic Berl Saddles (indiamart.com)

Lebih efisien daripada Raschig rings, namun lebh mahal pula. Pada bed dapat menyebabkan terbentuknya titik-titik yang cenderung lebih rapat daripada titik-titik lainnya, sehingga dapat menyebabkan terbentuknya channeling, tetapi tidak separah Raschig rings. Tidak menyebabkan banyak tekanan pada sisi dinding seperti Raschig rings. Memiliki batas flooding yang lebih tinggi dan pressure drop yang lebih kecil daripada Raschig rings (Branan, 2005).

c) Stainless Steel Pall Rings

Gambar 8: Stainless Steel Pall Rings (tradeindia.com)

Salah satu packing yang paling efisien, namun harganya cukup mahal. Kecenderungan untuk terjadi penyumbatan sangat kecil. Mampu memberikan bed yang cukup seragam. Memiliki batas flooding yang lebih tinggi dan pressure drop yang lebih kecil daripada Raschig rings atau Berl saddles (Branan, 2005).

2. Tray tower

Pada metode ini, tangki distilasi berisi serangkaian tray yang disusun vertikal. Tray digunakan untuk mengintensifkan kontak antara uap naik dan cairan yang turun. Menara tray memiliki peran yang sama dengan packed tower, tetapi lebih mahal (Norrie, 2010).

Ada beberapa jenis tray, dan pemilihan jenis tray tergantung pada derajat kemurnian produk yang diinginkan, tipe fluida, kecepatan fluida, serta parameter-parameter lainnya. Tipe-tipe tray adalah sebagai berikut:

a) Sieve TrayBentuknya adalah hanya berupa pelat logam yang memiliki lubang-lubang di mana uap yang naik dapat kontak dengan cairan yang terdapat pada tray (Norrie, 2010).

Gambar 9: Sieve Tray (amistco.com) Gambar 10: Operasi pada Sieve Tray (compressionjobs.com)

b) Valve TrayHampir sama dengan sieve tray, tetapi tiap lubang dilengkapi dengan suatu katup yang dapat membuka ketika uap melewati lubang. Tipe ini digunakan ketika laju uap tidak konstan. Katup dapat mencegah cairan turun melalui lubang ketika laju uap rendah (Norrie, 2010).

Gambar 11: Valve Tray (amistco.com) Gambar 12: Operasi pada Valve Tray (compressionjobs.com)

c) Bubble-Cap TrayMerupakan tipe yang paling efisien, tetapi juga paling mahal. Terdiri dari sejumlah chimneys atau risers (pipa kecil dan pendek pada tray) di mana uap dapat lewat. Pada tiap riser dipasang sejumlah tutup (cap) yang menyebabkan uap yang naik berbalik arah 180o dan memaksa uap untuk mengalir lewat bawah cairan yang mengalir pada tray. Ketiggian cairan dijaga agar selalu di bawah riser untuk mencegah cairan meluap lewat riser (Norrie, 2010).

Gambar 13: Bubble Cap (amistco.com) Gambar 14: Operasi pada Bubble-Cap Tray (compressionjobs.com)

Pada tiap tray terdapat weir yang menjaga ketinggian cairan pada tray. Saat cairan meluap melalui weir, cairan itu masuk ke downcomer (suatu pipa pendek) yang membawa cairan

menuju ke tray di bawahnya. Ujung downcomer berada di bawah permukaan cairan pada tray bawahnya, untuk mencegah uap mengalir melewatinya (Norrie, 2010).

Aplikasi

Salah satu penerapan distilasi fraksionasi adalah pada fraksionasi minyak bumi. Proses ini digunakan karena kenyataan bahwa minyak bumi memiliki fraksi yang berbeda, dan titik didih tiap fraksi berbeda pula.

Gambar 15: Skema Tangki Distilasi pada Fraksionasi Minyak Bumi (Ramsden, 2000)

Pada proses fraksionasi, minyak mentah dipanaskan hingga ia menguap. Uap tersebut lalu masuk ke menara fraksionasi, di mana bagian bawahnya dijaga agar suhunya panas (sekitar 350oC) dan makin ke atas makin dingin. Fraksi yang memiliki molekul paling kecil memiliki titik didih yang palin rendah, sehingga ia menguap terlebih dahulu dan menuju ke atas. Fraksi bertitik didih tinggi akan terkondensasi terlebih dahulu. Kondensat itu akan terkumpul pada tray yang memiliki bubble-cap (tray yang umum digunakan pada pabrik minyak adalah bubble-cap). Bubble-cap akan memaksa uap yang naik untuk mengalir melewati cairan pada tray membentuk kesetimbangan antara keduanya, sehingga komponen bertitik didih rendah akan semakin naik, dan yang bertitik didih tinggi akan menjadi cair dan turun. Fraksi intermediet akan terpisah berdasarkan range titik didihnya pada tiap tingkat (Atkinson dkk, 2000).

DAFTAR PUSTAKA

Krishna, H. J. 1989. Introduction to Desalination Plant. Austin: Texas Water Development Board. www.twdb.state.tx.us. Diakses pada 20 September 2013 pukul 08.30.

VWS, 2013. Once-through flash desalination plant. Paris: Veolia Group. sidem-desalination.com. Diakses pada 20 September 2013 pukul 08.30.

Tandon, S. 2007. Hydro-Distillation and Steam Distillation from Aromatic Plants. Lucknow: CIMAP, Chemical Engineering Division. morningmystbotanics.com. Diakses pada 20 September 2013 pukul 09.30.

Branan, C. 2005. Rules of Thumb for Chemical Engineers, 4th ed. Oxford: Elsevier Inc.

Norrie. 2010. Distillation Columns (or Towers). articles.compressionjobs.com. Diakses pada 20 September 2013 pukul 20.00.

Atkinson, J., Hibbert, C. 2000. AS Chemistry for AQA. Oxford: Heinemann.

Anonim. pharmahub.org/resources/325/download/BatchDistillation.ppt. Diakses pada 21 September 2013 pukul 12.00.

wikipedia.org. Diakses pada 22 September pukul 19.30.

Geankoplis, C. 1997. Transport Processes and Unit Operations. New Delhi: Prentice Hall Inc.

Sumber Gambar:

Gambar 1, 3, 5: Geankoplis, C. 1997. Transport Processes and Unit Operations. New Delhi: Prentice Hall Inc.

Gambar 2 Proses Desalinasi Air Laut: sidem-desalination.com. Diakses pada 20 September 2013 pukul 08.30.

Gambar 4. Distilasi Uap Minyak Atsiri: www.morningmystbotanics.com/images/pdf/DistillationPDF/df4316.pdf. Diakses pada 20 September 2013 pukul 09.30.

Gambar 6. Raschig Rings: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4e/RaschigRings005.JPG. Diakses pada 20 September 2013 23.30

Gambar 7. Ceramic Berl Saddles: www.indiamart.com/ultimoengineer/ceramic-berl-saddles.html. Diakses pada 20 September 2013 23.30

Gambar 8. Stainless Steel Pall Ring: www.tradeindia.com/fp191171/Stainless-Steel-Pall-Rings.html. Diakses pada 20 Oktober 2013 23.30

Gambar 9, 11, 13. Sieve Tray, Valve Tray, Bubble-Cap Tray: www.amistco.com/products/trays/trays2.html. Diakses pada 20 Oktober 2013 23.45

Gambar 10, 12, 14. Operasi pada Sieve Tray, Valve Tray, Bubble-Cap Tray: articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/2710-distillation-columns-towers-column-control-?start=1. Diakses pada 20 Oktober 2013 23.45

Gambar 15: Skema Tangki Distilasi pada Fraksionasi Minyak Bumi: Ramsden, E.N. 2000. A-Level Chemistry. Cheltenham: Nelson Thomes.