Minyak bumi / minyak mentah atau juga dikenal dengan istilah crude oil bukan merupakan bahan yang uniform, komposisinya sangat bervariasi, bergantung pada lokasi, umur lapangan minyak dan juga kedalaman sumur, dua sumur yang bersebelahan bisa menghasilkan minyak bumi dengan karakter yang berbeda.
Sebagian besar minyak bumi tersusun dari hydrogen dan karbon, yang disebut hidrokarbon, komponen lainnya adalah sedikit senyawa sulfur, oksigen dan nitrogen. Komponen tersebut dalam minyak bumi dianggap sebagai impurities karena sifat komponen tersebut berpengaruh terhadap : bau, warna, korosifitas dan lain-lain.
Sebagian kecil komponen metalorganik per million yang terdiri dari : iron, nikel, vanadium, arsenic dan lain-lain terdapat pada beberapa minyak bumi dan beberapa diantaranya bersifat racun pada katalis tertentu.
Perbandingan unsur-unsur yang terdapat dalam minyak bumi sangat bervariasi. Berdasarkan atas hasil analisa, diperoleh data sebagai berikut :
Karbon 83 - 87 %
Hidrogen 10 - 14 %
Nitrogen 0,1 - 2,0 %
Oksigen 0,05 - 1,5 %
Sulfur 0,05 - 6,0 %
2. Komponen Hidrokarbon
Sebagian besar minyak bumi tersusun dari hidrokarbon saturated, seperti : parafin, naphthene dan komponen unsaturated, seperti : aromatic. Olefin, tidak terdapat dalam minyak bumi dan acetylene jarang didapat dalam minyak bumi. Komponen hidrokarbon dalam minyak bumi terdiri atas :
- Parafin
- Naphthene
- Aromatik
2.1. Parafin ( Alkana )
Alkana dalam kimia organic adalah senyawa hidrokarbon jenuh dengan rantai lurus atau cabang yang mempunyai rumus molekul, Cn H2n + 2 .
n adalah jumlah atom karbon per molekul hidrokarbon, Nama untuk setiap molekul berakhiran dengan ana, alkana yang paling sederhana adalah : metana ( CH4 ). Seri selanjutnya etana (C2H6 ) dan seri-seri selanjutnya memiliki molekul yang semakin besar.
Jika satu hydrogen dipindahkan atau berkurang, maka akhiran ana dari hidrokarbon diganti dengan il. Contohnya : CH3 ─ metil, C2H5 ─ etil, C4H9 ─ butyl dan seterusnya.
Alkana dengan lebih dari 3 atom carbon dapat disusun dengan bermacam-macam bentuk. membentuk isomer-isomer yang berbeda. Alkana normal ( rantai lurus ) dalam penamaannya diawali dengan huruf n.
Alkana dan turunannya dengan 4 atom karbon atau lebih kecil mempunyai nama yang tidak sistematis.
Berikut adalah daftar alkana :
Rumus molekul Nama
CH4 Metana
C2H6 Etana
C3H8 Propana
C4H10 n-Butana
C5H12 n-Pentana
C6H14 n-Heksana
C7H16 n-Heptana
C8H18 n-Oktana
C9H20 n-Nonana
C10H22 n-Dekana
Dan seterusnya
Molekul memiliki komposisi sama tapi struktur berbeda disebut isomer. Rantai alkana yang bercabang memiliki sejumlah nama yang tidak sistematis ( trivial ), namun ada juga pemberian nama yang sistematis. Dimulai dari mengidentifikasi alkana utama ( yang tidak bercabang ) yang paling panjang didalam molekul, dihitung dari satu mulai dari karbon yang termasuk dalam alkana utama, kemudian memberi nomor rantai cabang menurut urutannya.
H H H
│ │ │
H ─ C ─ C ─ C ─ H
│ │ │
H CH3 H
Iso butane ( 2 metil propane )
Pentana memiliki 2 isomer,
CH3
│
H3C ─ C ─ CH3
│
CH3
2,2 – dimetil propane ( neopentana )
CH3 H
│ │
H3C ─ C ─ C ─ CH3
│ │
H H
2 – metil butane ( iso pentane )
Sifat fisika :
- Alkana tidak larut dalam air
- Titik leleh dan titik didih dari alkana meningkat seiring dengan bertambahnya berat molekul dan panjang rantai carbon
- Pada kondisi standard CH4 sampai C4H10 berwujud gas, C5H12 sampai C17H36 berwujud cair dan lebih besar C18H38 berwujud padat
Sifat kimia :
Alkana memiliki sifat reaktivitas rendah karena ikatan tunggal C ─ H dan C ─ C nya relative stabil dan sulit dipecahkan.
Normal parafin terdapat di sebagian besar crude oil dengan proporsi yang berbeda. Minyak bumi parafin mengandung 20 – 50 % normal paraffin dalam fraksi gas oil. Kuantitas isoparafin terdapat dalam fraksi gasoline. Isoparafin terdapat disepanjang boiling range dari fraksi minyak bumi, namun proporsinya cenderung berkurang jika boiling rangenya ditingkatkan. Jika isoparafin terdapat dalam minyak pelumas dengan jumlah kecil akan menyulitkan untuk menentukan sifat fisik minyak pelumas.
2.2. Naphthene
Merupakan hidrokarbon saturated yang terdiri dari satu atau lebih cincin. Rumus molekul naphthen adalah Cn H2n , sama dengan formula olefin, tetapi sifatnya berbeda. Naphthen adalah komponen siklik sedangkan olefin adalah komponen rantai terbuka, dimana ikatan gandanya menghubungkan dua atom carbon ( hidrokarbon unsaturated ).
Komponen unsaturated bisa bereaksi langsung dengan material lain, tetapi komponen saturated hanya bisa bereaksi melalui penggantian hydrogen dengan material lain.
Naphthene mewarisi sifat-sifat dari saturated paraffin dan unsaturated aromatic, sehingga sifat seperti : spesifik gravity, viscositas, pour point dan thermal karakteristiknya adalah perpaduan antara parafin dan aromatic.
Komponen naphthene terdapat pada seluruh crude, pemisahan naphthene dari crude berhasil pada gasoline tetapi lebih sulit pada fraksi yang lebih tinggi. Meskipun hanya sedikit jumlahnya, sikloheksana, siklopentana dan dekahidronaphthene terdapat dalam fraksi minyak bumi.
Fraksi minyak bumi biasanya terdiri dari cincin 5 dan cincin 6, karena :
• Studi thermodynamic menunjukkan bahwa naphthene cincin 5 dan cincin 6 bersifat stabil
CH3 CH3 CH3
CH3
CH3
2.3. Aromatik
Merupakan hidrokarbon dengan struktur molekul yang terdiri dari satu atau lebih cincin yang terbentuk dari enam atom carbon, terdiri dari ikatan kovalen tunggal dan ganda. Hidrokarbon aromatic yang paling sederhana adalah : benzene dengan rumus molekul CnH2n-6
Diberi nama aromatic karena bau yang menyengat dari senyawa tersebut.
Cincin benzene memiliki struktur yang simetris dan sangat kurang reaksi
Banyak ahli kimia hanya menggambar sebuah lingkaran didalam cincin untuk menunjukkan adanya 6 elektron didalamnya.
Jika satu atau lebih hydrogen dari benzene dipindahkan oleh atom lain, struktur ditunjukkan oleh hexagon dengan formula tertentu. Metil benzene ( toluene )
CH3
Xylene terdapat dalam tiga bentuk isomer yang berbeda, tiap bentuk memiliki sifat fisik yang berbeda,
CH3 CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
Ortho xylene meta xylene para xylene
Melt. point ( °C ) - 25 - 47,8 13,2
Boil. Point ( °C ) 144,5 139,2 138,4
Sp. Gravity 0,880 0,864 0,860
Ada komponen aromatik dengan dua atau lebih cincin, bentuk yang paling sederhana adalah naphthalene yang terdiri dari dua cincin benzene. Dalam pemberian nama turunan dari naphthalene , carbon dikelompokkan dalam urutan berikut :
8 1
7 2
6 3
5 4
CH3
CH3
CH3
1- metil naphthalene 2- metil naphthalene
Turunan dari komponen aromatic multi cincin, misalnya anthtrancene dan phenanthrene :
Semua minyak bumi yang mengandung komponen aromatic bervariasi antara 10 hingga 50 % atau lebih. Peningkatan proporsi hidrokarbon aromatic disertai dengan kenaikan berat molekul, tanpa disertai dengan cincin benzene atau turunan alkyl yang digantikan terjadi dalam fraksi minyak bumi.
Aromatik terdapat dalam fraksi gasoline, tapi benzene lebih sedikit bila dibandingkan dengan benzene tersubstitusi seperti : toluene, xylene dan sebagainya.
Hubungan antara komponen hidrokarbon dari minyak bumi, berupa penambahan hydrogen atau pengurangan hydrogen, sebagai berikut :
Parafin
+ H2
+ H2
Naphthene Aromatik
- H2
- H2
- H2
Polinaphthene Poliaromatik
+ H2
3. Komponen Non hidrokarbon
Minyak bumi mengandung komponen non hidrokarbon, seperti : sulfur, nitrogen dan oksigen dalam jumlah kecil, komponen organometalik dalam larutan dan garam anorganik dalam bentuk colloidal suspension. Semua komponen tersebut muncul selama pendidihan minyak bumi, tetapi akan terkonsentrasi dalam fraksi yang lebih berat dan dalam residu yang sukar menguap.
Meskipun konsentrasinya di fraksi tertentu kecil, pengaruhnya cukup penting, sebagai contoh : adannya garam anorganik dalam minyak bumi dapat menyebabkan kerusakan dalam unit pengolahan. Thermal dekomposisi dari chloride anorganik yang disimpan dengan evolusi asam hydrochloride dapat menyebabkan masalah korosi yang serius dalam peralatan destilasi. Komponen asam organic seperti : merkaptan dan asam juga menyebabkan korosi.
Dalam operasi katalitik, keracunan katalis dapat disebabkan oleh deposisi/pengurangan logam ( vanadium, nikel ) atau oleh penyerapan nitrogen dalam katalis. Oleh sebab itu perlu dilakukan regenerasi katalis secara rutin.
Adanya komponen non hidrokarbon menyebabkan tidak stabilnya penyimpanan dan pengurangan efektivitas sebagai additive anti knock pada produk akhir. Sehingga perlu adanya pemahamam tentang komponen-komponen tersebut dan sifat-sifatnya agar didapat kualitas produk akhir yang baik dan dapat memperbaiki metode pengolahan.
Selanjutnya ilmu mengenai karakteristik permukaan active juga membantu dalam memahami masalah yang berhubungan dengan pemindahan minyak dari sumber ke permukaan.
3.1. Komponen Sulfur
Komponen sulfur terdapat pada minyak bumi, ada banyak jenis komponen sulfur ( table 1 ). Semakin besar density minyak bumi, semakin besar pula kandungan sulfurnya. ( gb. 1 ). Komposisi sulfur dalam minyak bumi antara 0,04 % pada paraffin ringan hingga 5 % pada minyak bumi berat. Hal itu sangat bergantung dari asal minyak bumi dan terutama perbedaan geologi.
Adanya komponen sulfur dalam produk akhir dapat menyebabkan efek yang buruk : Dalam gasoline,
Komponen sulfur dapat menyebabkan korosi dalam mesin, terutama jika musim dingan, air yang terkandung pada sulfur dioksida dalam pembakaran akan menyebabkan kebocoran. Merkaptan yang larut dalam gasoline menyebabkan korosi pada copper dan brass oleh karena adanya udara. Adanya sulfur bebas, sulfide, dan thiophene juga bersifat korosif dan berpengaruh terhadap stabilitas warna. Sulfur bebas, sulfide, disulfide dan thiophene sangat berpengaruh terhadap kebutuhan timbal ( Pb ) sebagai bahan aditif anti ketukan ( anti knocking ) yang ditambahkan ke dalam komponen gasoline. Gasoline dengan kandungan sulfur antara 0,2 dan 0,5 % dapat digunakan tanpa menimbulkan efek buruk.
Dalam minyak diesel, komponen sulfur akan menaikkan sifat keausan logam , dapat memicu terbentuknya kerak mesin (engine deposit).
Dalam minyak bakar untuk industri, kandungan sulfur jumlah tinggi kadang-kadang masih dapat ditolerir.
Dalam minyak pelumas, kandungan sulfur jumlah tinggi menyebabkan rendahnya tahanan terhadap oksidasi dan meningkatkan deposit padatan.
Studi menunjukkan proporsi sulfur meningkat seiring dengan boiling pointnya selama destilasi. Kandungan sulfur yang tinggi dianggap buruk bagi sebagian besar produk minyak bumi dan penghilangan komponen sulfur atau konversi untuk mengurangi/meminimalkan adalah bagian yang penting dalam unit pengolahan.
Distribusi dari berbagai macam komponen sulfur bervariasi diantara crude dengan asal yang berbeda. Beberapa komponen sulfur dalam minyak bumi memiliki thermal reaction pada temperature relative rendah. Jika elemen sulfur terdapat dalam minyak, reaksi dengan hydrogen sulfide berkisar antara 150 °C hingga 220 °C. Hidrogen sulfide adalah komponen yang umum dijumpai dalam minyak bumi. Dan beberapa minyak bumi dengan kandungan sulfur > 1 % yang disertai gas memiliki kandungan hydrogen sulfide.
3.2. Komponen Oksigen
Oksigen adalah komponen organic dengan bentuk yang bervariasi ( table 2 ), oksigen juga terdapat dalam minyak bumi. Total kandungan oksigen dalam minyak bumi kurang dari 2 %, bisa juga lebih. Jika terdapat kandungan oksigen yang lebih dari 2 % disebabkan karena minyak terlalu lama terbuka dalam udara bebas selama masa produksi. Oksigen dalam minyak bumi tidak meningkat dengan kenaikan titik didih fraksi. Residu yang sukar menguap memiliki kandungan oksigen hingga 8 %, ini menunjukkan bahwa senyawa oksigen organic mempunyai berat molekul tinggi. Senyawa oksigen yang mempunyai berat molekul kecil adalah asam karboksilat dan fenol. Umumnya oksigen berada dalam bentuk senyawa yang mempunyai gugus karboksilat, oleh karena itu dinyatakan sebagai asam karboksilat, yaitu sebagai asam naftenat. Asam naftenat terdiri dari delapan atom carbon dengan mengikat gugus karboksilat, C8H17COOH.
Disamping asam karboksilat dan fenol, senyawa oksigen organic yang lain adalah : alcohol, keton, ester, eter dan anhidrida asam karboksilat.
Walaupun kandungan sulfur maupun kandungan nitrogen dalam minyak bumi sangat berpengaruh pada berat jenis API ( API gravity ) seperti yang ditunjukkan pada gambar 1 dan gambar 2, namun tidak demikian halnya bahwa kandungan oksigen dalam minyak bumi tidak proporsional dengan berat jenis API. Hal ini disebabkan karena minyak bumi dimungkinkan berhubungan dengan udara sehingga terdapat oksigen yang bereaksi dengan unsur-unsur yang terkandung dalam minyak bumi untuk menghasilkan senyawa oksigen.
Table 2. Nomenklatur dan Tipe Senyawa Oksigen Organik
Table 2. ( continued )
3.3. Komponen Nitrogen
Nitrogen dalam minyak bumi diklasifikasi menjadi Nitrogen basa dan Nitrogen non basa. Komponen nitrogen basa ( table 3) yang terdiri dari pyridine homolog dan terjadi pada karena proses destilasi, terdapat dalam fraksi titik didih tinggi dan dalam residu. Komponen nitrogen non basa terdiri dari pyrole, indole dan carbazole juga terdapat dalam fraksi titik didih tinggi dan dalam residu.
Secara umum kandungan nitrogen dalam minyak bumi rendah, antara 0,1 hingga 0,9 %. Semakin bersifat asphaltik minyak tersebut, maka kandungan nitrogennya semakin banyak. Gambar 2, menunjukkan korelasi antara kandungan nitrogen dan API gravity dari minyak bumi. Gambar 2, juga menunjukkan adanya korelasi antara kandungan nitrogen dengan karbon residu. Semakin besar karbon residu semakin banyak pula kandungan nitrogennya. Kandungan nitrogen dalam minyak bumi sangat berpengaruh dalam unit pengolahan, karena nitrogen dapat meracuni katalis pada proses kraking katalitik dan dapat menyebabkan pembentukan gum pada fuel oil.
Komponen nitrogen basa yang memiliki berat molekul rendah dapat diekstrak dengan menambahkan asam mineral encer, sedang senyawa nitrogen non basa dengan berat nolekul tinggi tidak dapat diekstrak.
Nitrogen dikelompokkan dalam basa dan non basa tergantung apakah nitrogen dapat dititrasi dengan asam perchlorat dalam larutan asam asetat pekat dan benzene dengan perbandingan 50 – 50. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perbandingan antara nitrogen basa dan nitrogen jumlah mendekati konstan Komponen nitrogen yang dapat diekstrak dengan melarutkan asam mineral terdiri dari : pyridine, quinoline dan iso quinoline yang mengandung komponen alkyl.
Komponen yang tidak dapat diekstrak dengan melarutkan asam mineral terdiri dari : carbazole, indole dan jenis pyrole.
Porphyrin juga merupakan komponen dari minyak bumi dan biasanya terdapat dalam nitrogen non basa. Pyrole, komponen utama dari molekul porphyrin, memiliki stabilitas tinggi karena sifat aromatiknya. Porphyrin yang paling sederhana adalah porphine yang terdiri dari 4 molekul pyrole digabungkan dengan jembatan methane ( CH═ ), lihat gambar 3.
Adanya vanadium dan nikel dalam minyak bumi, terutama sebagai logam porphyrin complex, menjadi perhatian dalam industri pengolahan minyak karena munculnya logam-logam tersebut dalam minyak bumi. Secara umum, sekitar 10 % total logam dalam minyak bumi diakomodasikan sebagai porphyrin complex, meskipun sebanyak 40 % vanadium dan nikel jumlahnya sama banyak dengan logam porphyrin complex dalam minyak bumi.
Gb. 2. Hubungan kandungan N dan API Gravity pada minyak bumi
Table 3. Senyawa Nitrogen Organik dalam minyak bumi
Fig. 3. Struktur porphine, sebagai satuan struktur dasar porphyrin
3.4. Komponen Metalik
Iron, copper, nikel dan vanadium dalam katalitik kraking mempengaruhi aktivitas katalis dan menyebabkan pengkaratan gas dan pembentukan coke dan mengurangi produk gasoline.
Dalam tenaga generator yang bersuhu tinggi, seperti dalam gas turbin minyak bakar, adanya komponen logam, terutama vanadium dalam minyak bisa menyebabkan deposit abu dalam rotor turbin, sehingga mengurangi kinerja dan mengganggu keseimbangannya. Bisa juga menyebakan kerusakan karena korosi. Debu yang dihasilkan dari pembakaran minyak bakar mengandung sodium dan khususnya vanadium bereaksi dengan batu tahan api furnace untuk mengurangi titik lebur dan menyebakan kerusakan. Residu abu yang tertinggal setelah pembakaran minyak bumi berupa konstituen logam ini, sebagian berasal dari senyawa anorganik yang larut dalam air sebagai garam-garam khlorida, kalium, magnesium dan kalsium, yang terdapat dalam fasa air yaitu dalam bentuk emulsi minyak bumi. Garam-garam ini dipisahkan dalam proses pengambilan garam, dapat juga dengan cara penguapan air yang kemudian dicuci dengan air bebas garam, atau dengan cara memecah emulsi. Dengan cara ini, kandungan garam dalam minyak bumi dapat berkurang.
Disamping senyawa logam anorganik, sebagian lagi berasal dari senyawa yang larut dalam minyak bumi, yaitu : senyawa kompleks logam organic, disebut : sabun organometalik, atau dalam bentuk koloidal suspension.
Kandungan abu jumlah ( total ash ) merupakan penjumlahan dari anorganometalik dan organoetalik dari minyak bumi yang telah diambil garamnya, berkisar antara 0,1 sampai 100 mg/liter.
Logam-logam seperti : seng, titanium, kalsium dan magnesium berada dalam bentuk senyawa sabun organometalik dengan sifat permukaan aktif yang teradsorbp dalam permukaan minyak-air dan cenderung stabil dalam emulsi. Sebaliknya logam-logam seperti : vanadium, tembaga, nikel dan sebagian besi ditemukan dalam minyak bumi sebagai senyawa logam yang larut dalam minyak bumi.
Penelitian menunjukkan bahwa logam-logam ini dapat diidentifikasi dari kandungan abu suatu minyak bumi. Abu diperoleh dari minyak bumi dibakar dalam nyala, kemudian dilarutkan dalam asam dan diencerkan dengan air menghasilkan larutan akuatik. Larutan akuatik ini dilakukan analisis unsur-unsur logamnya secara kualitatif dan kuantitatif.
Table 4. Kisaran unsur-unsur Trace logam dalam minyak bumi
Element Range in Petroleum, ppm
Cu 0.2 - 12.0
Ca 1.0 - 2.5
Mg 1.0 - 2.5
Ba 0.001 - 0.1
Sr 0.001 - 0.1
Zn 0.5 - 1.0
Hg 0.03 - 0.1
Ce 0.001 - 0.6
B 0.001 - 0.1
Al 0.5 - 1.0
Ga 0.001 - 0.1
Ti 0.001 - 0.1
Zr 0.001 - 0.4
Si 0.1 - 5.0
Sn 0.1 - 0.3
Pb 0.001 - 0.2
V 5.0 - 1500
Fe 0.04 - 120
Co 0.001 - 12
Ni 3.0 - 120