Kolom Pemisah, part 3

Pernahkah kita bertanya mengapa sebuah kolom pemisah rata-rata didesain dengan elevasi yang begitu tinggi? Begitu tingginya, hingga orang kadang menyebutnya dengan istilah distillation tower atau menara distilasi.

Mari kita lihat gambar berikut. 

Kolom Pemisah dan Ilustrasi Kolom sebagai Bejana Flashing Bertingkat

Gambar disebelah kiri, menunjukkan internal sebuah kolom pemisah. Didalamnya terdapat sebuah tray yang disusun secara bertingkat. Tray ini berfungsi untuk memfasilitasi kontak antara uap dengan cairan. Kontak antar dua fase ini menjadi penting karena dengan adanya kontak akan menjembatani terjadinya sebuah perpindahan massa.

Jika dimodelkan, sebuah tray dalam kolom pemisah adalah ibarat bejana flash yang telah kita bahas sebelumnya. Banyaknya tray berarti menandakan bahwa terjadi rangkaian peristiwa flashing secara seri. Jadi, derajat kemurnian sebuah komponen dalam campuran di satu tray akan berbeda dengan tray yang lainnya.

Dalam gambar diatas, fraksi ringan diwakili oleh warna biru muda, sedangkan fraksi berat diwakili oleh warna biru tua. Semakin ke bawah, warna fluida akan menjadi semakin biru tua, menandakan bahwa komposisi fraksi berat menjadi semakin banyak seiring turunnya cairan ke bawah kolom. Dan, sebaliknya, semakin ke atas, warna fluida akan menjadi semakin biru muda, menandakan bahwa semakin ke atas kolom, campuran akan didominasi oleh fraksi ringan.

Uap masuk ke tray dengan cara naik ke atas kolom dari tray dibawahnya akibat tekanan sedangkan cairan masuk dengan cara jatuh dari tray diatasnya akibat gravitasi. Secara umum, bisa dikatakan uap yang masuk ke tray selalu memiliki temperatur yang lebih tinggi daripada cairan. Hal ini dikarenakan suhu bawah kolom lebih panas dari atas kolom akibat dari adanya reboiler yang terhubung dengan dasar kolom. Fakta yang lainnya adalah fase uap meskipun memiliki fraksi ringan lebih banyak jika dibandingkan dengan fase cairan, namun masih mengandung campuran fraksi berat yang bisa terkondensasi.

Mengetahui hal tersebut, apa yang terjadi ketika uap yang relatif panas bertemu dengan cairan yang relatif dingin?

Dengan memakai prinsip kesetimbangan, yakni mengasumsikan bahwa uap dan cairan yang bertemu dalam sebuah tray nantinya keluar dari tray tersebut dalam keadaan berkesetimbangan (ingat pada kasus bejana flashing yang dibahas sebelumnya, produk yang keluar memiliki kondisi operasi yang serupa, selain itu uap selalu berada dalam kondisi dew point dan cairan berada dalam kondisi bubble point), maka

Liquid yang relatif dingin dari uap akan menyerap sebagian panas dari uap. Perpindahan panas ini menyebabkan sebagian uap akan terkondensasi, dan sebagian cairan akan menguap. Uap yang terkondensasi adalah berasal dari fraksi komponen berat dan sebaliknya, cairan yang menguap adalah berasal dari fraksi komponen ringan. Proses ini terjadi secara berulang-ulang pada tiap tingkatan tray. Konsekuensinya, semakin banyak jumlah tray, kita akan mendapatkan derajat pemisahan yang cukup tinggi. Hal ini bisa terjadi, karena profil kondisi operasi yang berbeda-beda dari tiap tray. Semakin kebawah, suhu dan tekanan tray akan menjadi semakin tinggi. Efisiensi suatu kolom pemisah, bisa dilihat dari beda suhu antara atas dan bawah kolom. Semakin besar beda suhunya akan semakin bagus tingkat pemisahannya. Namun, tentunya ada batasan bahwa suhu yang diijinkan dalam sebuah kolom tidak boleh melebihi dari suhu titik didih komponen fraksi berat pada tekanan kolom. Inilah sebab mengapa kita mempelajari kurva kesetimbangan uap-cair. Banyaknya jumlah tray, selain meningkatkan kemurnian, dampaknya secara fisik juga akan semakin mempertinggi elevasi kolom. Jadi, jika kalian melihat sebuah kolom distilasi dirancang dengan begitu tinggi, berarti kolom itu didesain untuk mengolah umpan agar dihasilkan produk dengan kemurnian tinggi.

Hal lain yang juga ingin dikupas disini adalah mengenai pembagian area dalam kolom menjadi rectifying section dan juga stripping section. Mengapa harus dipisahkan?

Disebut stripping section karena pada area antara tray dibawah tray umpan hingga tray dasar, tugas utamanya adalah untuk menguapkan fraksi ringan yang masih terdapat dalam cairan. Dikatakan stripping, karena proses ini diibaratkan seperti kita men-strip atau mengupas/ menguliti fraksi ringan yang ada pada cairan yang jatuh dari tray umpan menuju ke dasar kolom dengan cara mengkontakkannya dengan uap yang dihasilkan dari pemanasan di reboiler. Sehingga, harapannya adalah kita mendapatkan cairan sebagai bottom product yang seminimal mungkin mengandung fraksi ringan.

Hal yang sama terjadi juga pada rectifying section, karena pada area antara tray puncak dengan tray diatas tray umpan, tugas utamanya adalah mengkondensasikan fraksi berat yang masih terdapat dalam uap. Dikatakan rectifying, karena proses ini diibaratkan seperti kita me-rectify atau menyaring fraksi berat yang ada pada uap yang naik dari tray umpan dengan cara mengkontakkannya dengan reflux hasil kondensasi uap yang diambil dari reflux drum. Sehingga, harapannya adalah kita mendapatkan uap yang semaksimal mungkin mengandung fraksi ringan.

Bisa disimpulkan, stripping section menentukan berapa kemurnian fraksi berat yang kita inginkan dan rectifying section menentukan berapa kemurnian fraksi ringan yang kita inginkan. Hal ini akan menentukan pada stage berapa tray umpan akan dipasang. Dalam sebuah desain kolom pemisah, biasanya untuk campuran yang memiliki lebih dari dua jenis komponen, derajat kemurnian dua jenis komponen yang menjadi kunci pemisahan akan ditentukan, disebut light key component untuk distillate dan juga heavy key component untuk bottom product.

Kita telah mengetahui cara kerja sebuah kolom pemisah, pada bagian selanjutnya kita akan membahas lebih jauh mengenai jenis-jenis tray yang digunakan sebagai media kontak vapor-liquid.