Distillation

Distillation is a method of separating mixtures based on differences in volatilities of components in a boiling liquid mixture. Distillation is a unit operation, or a physical separation process, and not a chemical reaction.

Commercially, distillation has a number of applications. It is used to separate crude oil into more fractions for specific uses such as transport, power generation and heating. Water is distilled to remove impurities, such as salt from seawater. Air is distilled to separate its components—notably oxygen, nitrogen, and argon— for industrial use. Distillation of fermented solutions has been used since ancient times to produce distilled beverages with a higher alcohol content. The premises where distillation is carried out, especially distillation of alcohol, are known as a distillery.

History

Distillation apparatus of Zosimus, from Marcelin Berthelot, Collection des anciens alchimistes grecs (3 vol., Paris, 1887-1888).

The first clear evidence of distillation comes from Greek alchemists working in Alexandria in the first century AD. Distilled water has been known since at least ca. 200 AD, when Alexander of Aphrodisias described the process. Arabs learned the process from the Egyptians and used it extensively in their chemical experiments.

Clear evidence of the distillation of alcohol comes from the School of Salerno in the 12th century. Fractional distillation was developed by Tadeo Alderotti in the 13th century.

In 1500, German alchemist Hieronymus Braunschweig published Liber de arte destillandi (The Book of the Art of Distillation) the first book solely dedicated to the subject of distillation, followed in 1512 by a much expanded version. In 1651, John French published The Art of Distillation the first major English compendium of practice, though it has been claimed that much of it derives from Braunschweig's work. This includes diagrams with people in them showing the industrial rather than bench scale of the operation.

A retort.

Distillation

Old Ukrainian vodka still

As alchemy evolved into the science of chemistry, vessels called retorts became used for distillations. Both alembics and retorts are forms of glassware with long necks pointing to the side at a downward angle which acted as air-cooled condensers to condense the distillate and let it drip downward for collection. Later, copper alembics were invented. Riveted joints were often kept tight by using various mixtures, for instance a dough made of rye flour. These alembics often featured a cooling system around the beak, using cold water for instance, which made the condensation of alcohol more efficient. These were called pot stills. Today, the retorts and pot stills have been largely supplanted by more efficient distillation methods in most industrial processes. However, the pot still is still widely used for the elaboration of some fine alcohols such as cognac, Scotch whisky, tequila and some vodkas. Pot stills made of various materials (wood, clay, stainless steel) are also used by bootleggers in various countries. Small pot stills are also sold for the domestic production of flower water or essential oils.

Early forms of distillation were batch processes using one vaporization and one condensation. Purity was improved by further distillation of the condensate. Greater volumes were processed by simply repeating the distillation. Chemists were reported to carry out as many as 500 to 600 distillations in order to obtain a pure compound.

In the early 19th century the basics of modern techniques including pre-heating and reflux were developed, particularly by the French, then in 1830 a British Patent was issued to Aeneas Coffey for a whiskey distillation column, which worked continuously and may be regarded as the archetype of modern petrochemical units. In 1877, Ernest Solvay was granted a U.S. Patent for a tray column for ammonia distillation and the same and subsequent years saw developments of this theme for oil and spirits.

With the emergence of chemical engineering as a discipline at the end of the 19th century, scientific rather than empirical methods could be applied. The developing petroleum industry in the early 20th century provided the impetus for the development of accurate design methods such as the McCabe-Thiele method and the Fenske equation. The availability of powerful computers has also allowed direct computer simulation of distillation columns.

Applications of distillation

The application of distillation can roughly be divided in four groups: laboratory scale, industrial distillation, distillation of herbs for perfumery and medicinals (herbal distillate), and food processing. The latter two are distinctively different from the former two in that in the processing of beverages, the distillation is not used as a true purification method but more to transfer all volatiles from the source materials to the distillate.

The main difference between laboratory scale distillation and industrial distillation is that laboratory scale distillation is often performed batch-wise, whereas industrial distillation often occurs continuously. In batch distillation, the composition of the source material, the vapors of the distilling compounds and the distillate change during the distillation. In batch distillation, a still is charged (supplied) with a batch of feed mixture, which is then separated into its component fractions which are collected sequentially from most volatile to less volatile, with the bottoms (remaining least or non-volatile fraction) removed at the end. The still can then be recharged and the process repeated.

In continuous distillation, the source materials, vapors, and distillate are kept at a constant composition by carefully replenishing the source material and removing fractions from both vapor and liquid in the system. This results in a better control of the separation process.

Idealized distillation model

The boiling point of a liquid is the temperature at which the vapor pressure of the liquid equals the pressure in the liquid, enabling bubbles to form without being crushed. A special case is the normal boiling point, where the vapor pressure of the liquid equals the ambient atmospheric pressure.

It is a common misconception that in a liquid mixture at a given pressure, each component boils at the boiling point corresponding to the given pressure and the vapors of each component will collect separately and purely. This, however, does not occur even in an idealized system. Idealized models of distillation are essentially governed by Raoult's law and Dalton's law, and assume that vapor-liquid equilibria are attained.

Raoult's law assumes that a component contributes to the total vapor pressure of the mixture in proportion to its percentage of the mixture and its vapor pressure when pure, or succinctly: partial pressure equals mole fraction multiplied by vapor pressure when pure. If one component changes another component's vapor pressure, or if the volatility of a component is dependent on its percentage in the mixture, the law will fail.

Dalton's law states that the total vapor pressure is the sum of the vapor pressures of each individual component in the mixture. When a multi-component liquid is heated, the vapor pressure of each component will rise, thus causing the total vapor pressure to rise. When the total vapor pressure reaches the pressure surrounding the liquid, boiling occurs and liquid turns to gas throughout the bulk of the liquid. Note that a mixture with a given composition has one boiling point at a given pressure, when the components are mutually soluble.

An implication of one boiling point is that lighter components never cleanly "boil first". At boiling point, all volatile components boil, but for a component, its percentage in the vapor is the same as its percentage of the total vapor pressure. Lighter components have a higher partial pressure and thus are concentrated in the vapor, but heavier volatile components also have a (smaller) partial pressure and necessarily evaporate also, albeit being less concentrated in the vapor. Indeed, batch distillation and fractionation succeed by varying the composition of the mixture. In batch distillation, the batch evaporates, which changes its composition; in fractionation, liquid higher in the fractionation column contains more lights and boils at lower temperatures.

The idealized model is accurate in the case of chemically similar liquids, such as benzene and toluene. In other cases, severe deviations from Raoult's law and Dalton's law are observed, most famously in the mixture of ethanol and water. These compounds, when heated together, form an azeotrope, which is a composition with a boiling point higher or lower than the boiling point of each separate liquid. Virtually all liquids, when mixed and heated, will display azeotropic behaviour. Although there are computational methods that can be used to estimate the behavior of a mixture of arbitrary components, the only way to obtain accurate vapor-liquid equilibrium data is by measurement.

It is not possible to completely purify a mixture of components by distillation, as this would require each component in the mixture to have a zero partial pressure. If ultra-pure products are the goal, then further chemical separation must be applied. When a binary mixture is evaporated and the other component, e.g. a salt, has zero partial pressure for practical purposes, the process is simpler and is called evaporation in engineering.

Batch distillation

A batch still showing the separation of A and B.

Heating an ideal mixture of two volatile substances A and B (with A having the higher volatility, or lower boiling point) in a batch distillation setup (such as in an apparatus depicted in the opening figure) until the mixture is boiling results in a vapor above the liquid which contains a mixture of A and B. The ratio between A and B in the vapor will be different from the ratio in the liquid: the ratio in the liquid will be determined by how the original mixture was prepared, while the ratio in the vapor will be enriched in the more volatile compound, A (due to Raoult's Law, see above). The vapor goes through the condenser and is removed from the system. This in turn means that the ratio of compounds in the remaining liquid is now different from the initial ratio (i.e. more enriched in B than the starting liquid).

The result is that the ratio in the liquid mixture is changing, becoming richer in component B. This causes the boiling point of the mixture to rise, which in turn results in a rise in the temperature in the vapor, which results in a changing ratio of A : B in the gas phase (as distillation continues, there is an increasing proportion of B in the gas phase). This results in a slowly changing ratio A : B in the distillate.

If the difference in vapor pressure between the two components A and B is large (generally expressed as the difference in boiling points), the mixture in the beginning of the distillation is highly enriched in component A, and when component A has distilled off, the boiling liquid is enriched in component B.

Continuous distillation

Continuous distillation is an ongoing distillation in which a liquid mixture is continuously (without interruption) fed into the process and separated fractions are removed continuously as output streams as time passes during the operation. Continuous distillation produces at least two output fractions, including at least one volatile distillate fraction, which has boiled and been separately captured as a vapor condensed to a liquid. There is always a bottoms (or residue) fraction, which is the least volatile residue that has not been separately captured as a condensed vapor.

Continuous distillation differs from batch distillation in the respect that concentrations should not change over time. Continuous distillation can be run at a steady state for an arbitrary amount of time. For any source material of specific composition, the main variables that affect the purity of products in continuous distillation are the reflux ratio and the number of theoretical equilibrium stages (practically, the number of trays or the height of packing). Reflux is a flow from the condenser back to the column, which generates a recycle that allows a better separation with a given number of trays. Equilibrium stages are ideal steps where compositions achieve vapor-liquid equilibrium, repeating the separation process and allowing better separation given a reflux ratio. A column with a high reflux ratio may have fewer stages, but it refluxes a large amount of liquid, giving a wide column with a large holdup. Conversely, a column with a low reflux ratio must have a large number of stages, thus requiring a taller column.

General improvements

Both batch and continuous distillations can be improved by making use of a fractionating column on top of the distillation flask. The column improves separation by providing a larger surface area for the vapor and condensate to come into contact. This helps it remain at equilibrium for as long as possible. The column can even consist of small subsystems ('trays' or 'dishes') which all contain an enriched, boiling liquid mixture, all with their own vapor-liquid equilibrium.

There are differences between laboratory-scale and industrial-scale fractionating columns, but the principles are the same. Examples of laboratory-scale fractionating columns (in increasing efficiency) include:

• Air condenser
• Vigreux column (usually laboratory scale only)
• Packed column (packed with glass beads, metal pieces, or other chemically inert material)
• Spinning band distillation system.

Laboratory scale distillation

Laboratory scale distillations are almost exclusively run as batch distillations. The device used in distillation, sometimes referred to as a still, consists at a minimum of a reboiler or pot in which the source material is heated, a condenser in which the heated vapour is cooled back to the liquid state, and a receiver in which the concentrated or purified liquid, called the distillate, is collected. Several laboratory scale techniques for distillation exist (see also distillation types).

Simple distillation

In simple distillation, all the hot vapors produced are immediately channeled into a condenser that cools and condenses the vapors. Therefore, the distillate will not be pure - its composition will be identical to the composition of the vapors at the given temperature and pressure, and can be computed from Raoult's law.

As a result, simple distillation is usually used only to separate liquids whose boiling points differ greatly (rule of thumb is 25 °C), or to separate liquids from involatile solids or oils. For these cases, the vapor pressures of the components are usually sufficiently different that Raoult's law may be neglected due to the insignificant contribution of the less volatile component. In this case, the distillate may be sufficiently pure for its intended purpose.

 Fractional distillation

For many cases, the boiling points of the components in the mixture will be sufficiently close that Raoult's law must be taken into consideration. Therefore, fractional distillation must be used in order to separate the components well by repeated vaporization-condensation cycles within a packed fractionating column. This separation, by successive distillations, is also referred to as rectification.

As the solution to be purified is heated, its vapors rise to the fractionating column. As it rises, it cools, condensing on the condenser walls and the surfaces of the packing material. Here, the condensate continues to be heated by the rising hot vapors; it vaporizes once more. However, the composition of the fresh vapors are determined once again by Raoult's law. Each vaporization-condensation cycle (called a theoretical plate) will yield a purer solution of the more volatile component. In reality, each cycle at a given temperature does not occur at exactly the same position in the fractionating column; theoretical plate is thus a concept rather than an accurate description.

More theoretical plates lead to better separations. A spinning band distillation system uses a spinning band of Teflon or metal to force the rising vapors into close contact with the descending condensate, increasing the number of theoretical plates.

Steam distillation

Main article: Steam distillation

Like vacuum distillation, steam distillation is a method for distilling compounds which are heat-sensitive. The temperature of the steam is easier to control than the surface of a heating element, and allows a high rate of heat transfer without heating at a very high temperature. This process involves bubbling steam through a heated mixture of the raw material. By Raoult's law, some of the target compound will vaporize (in accordance with its partial pressure). The vapor mixture is cooled and condensed, usually yielding a layer of oil and a layer of water.

Steam distillation of various aromatic herbs and flowers can result in two products; an essential oil as well as a watery herbal distillate. The essential oils are often used in perfumery and aromatherapy while the watery distillates have many applications in aromatherapy, food processing and skin care.

Dimethyl sulfoxide usually boils at 189 °C. Under a vacuum, it distills off into the receiver at only 70 °C.

Perkin triangle distillation setup
1: Stirrer bar/anti-bumping granules 2: Still pot 3: Fractionating column 4: Thermometer/Boiling point temperature 5: Teflon tap 1 6: Cold finger 7: Cooling water out 8: Cooling water in 9: Teflon tap 2 10: Vacuum/gas inlet 11: Teflon tap 3 12: Still receiver

Vacuum distillation

Some compounds have very high boiling points. To boil such compounds, it is often better to lower the pressure at which such compounds are boiled instead of increasing the temperature. Once the pressure is lowered to the vapor pressure of the compound (at the given temperature), boiling and the rest of the distillation process can commence. This technique is referred to as vacuum distillation and it is commonly found in the laboratory in the form of the rotary evaporator.

This technique is also very useful for compounds which boil beyond their decomposition temperature at atmospheric pressure and which would therefore be decomposed by any attempt to boil them under atmospheric pressure.

Molecular distillation is vacuum distillation below the pressure of 0.01 torr. 0.01 torr is one order of magnitude above high vacuum, where fluids are in the free molecular flow regime, i.e. the mean free path of molecules is comparable to the size of the equipment. The gaseous phase no longer exerts significant pressure on the substance to be evaporated, and consequently, rate of evaporation no longer depends on pressure. That is, because the continuum assumptions of fluid dynamics no longer apply, mass transport is governed by molecular dynamics rather than fluid dynamics. Thus, a short path between the hot surface and the cold surface is necessary, typically by suspending a hot plate covered with a film of feed next to a cold plate with a line of sight in between. Molecular distillation is used industrially for purification of oils.

Air-sensitive vacuum distillation

Some compounds have high boiling points as well as being air sensitive. A simple vacuum distillation system as exemplified above can be used, whereby the vacuum is replaced with an inert gas after the distillation is complete. However, this is a less satisfactory system if one desires to collect fractions under a reduced pressure. To do this a "cow" or "pig" adaptor can be added to the end of the condenser, or for better results or for very air sensitive compounds a Perkin triangle apparatus can be used.

The Perkin triangle, has means via a series of glass or Teflon taps to allows fractions to be isolated from the rest of the still, without the main body of the distillation being removed from either the vacuum or heat source, and thus can remain in a state of reflux. To do this, the sample is first isolated from the vacuum by means of the taps, the vacuum over the sample is then replaced with an inert gas (such as nitrogen or argon) and can then be stoppered and removed. A fresh collection vessel can then be added to the system, evacuated and linked back into the distillation system via the taps to collect a second fraction, and so on, until all fractions have been collected.

 Short path distillation

Short path vacuum distillation apparatus with vertical condenser (cold finger), to minimize the distillation path; 1: Still pot with stirrer bar/anti-bumping granules 2: Cold finger - bent to direct condensate 3: Cooling water out 4: cooling water in 5: Vacuum/gas inlet 6: Distillate flask/distillate.

Short path distillation is a distillation technique that involves the distillate travelling a short distance, often only a few centimeters, and is normally done at reduced pressure. A classic example would be a distillation involving the distillate travelling from one glass bulb to another, without the need for a condenser separating the two chambers. This technique is often used for compounds which are unstable at high temperatures or to purify small amounts of compound. The advantage is that the heating temperature can be considerably lower (at reduced pressure) than the boiling point of the liquid at standard pressure, and the distillate only has to travel a short distance before condensing. A short path ensures that little compound is lost on the sides of the apparatus. The Kugelrohr is a kind of a short path distillation apparatus which often contain multiple chambers to collect distillate fractions.

Other types

• The process of reactive distillation involves using the reaction vessel as the still. In this process, the product is usually significantly lower-boiling than its reactants. As the product is formed from the reactants, it is vaporized and removed from the reaction mixture. This technique is an example of a continuous vs. a batch process; advantages include less downtime to charge the reaction vessel with starting material, and less workup.
• Pervaporation is a method for the separation of mixtures of liquids by partial vaporization through a non-porous membrane.
• Extractive distillation is defined as distillation in the presence of a miscible, high boiling, relatively non-volatile component, the solvent, that forms no azeotrope with the other components in the mixture.
• Flash evaporation (or partial evaporation) is the partial vaporization that occurs when a saturated liquid stream undergoes a reduction in pressure by passing through a throttling valve or other throttling device. This process is one of the simplest unit operations, being equivalent to a distillation with only one equilibrium stage.
• Codistillation is distillation which is performed on mixtures in which the two compounds are not miscible.

The unit process of evaporation may also be called "distillation":

• In rotary evaporation a vacuum distillation apparatus is used to remove bulk solvents from a sample. Typically the vacuum is generated by a water aspirator or a membrane pump.
• In a kugelrohr a short path distillation apparatus is typically used (generally in combination with a (high) vacuum) to distill high boiling (> 300 °C) compounds. The apparatus consists of an oven in which the compound to be distilled is placed, a receiving portion which is outside of the oven, and a means of rotating the sample. The vacuum is normally generated by using a high vacuum pump.

Other uses:

• Dry distillation or destructive distillation, despite the name, is not truly distillation, but rather a chemical reaction known as pyrolysis in which solid substances are heated in an inert or reducing atmosphere and any volatile fractions, containing high-boiling liquids and products of pyrolysis, are collected. The destructive distillation of wood to give methanol is the root of its common name - wood alcohol.
• Freeze distillation is an analogous method of purification using freezing instead of evaporation. It is not truly distillation, but a recrystallization where the product is the mother liquor, and does not produce products equivalent to distillation. This process is used in the production of ice beer and ice wine to increase ethanol and sugar content, respectively. It is also used to produce applejack. Unlike distillation, freeze distillation concentrates poisonous congeners rather than removing them.

Azeotropic distillation

Main article: Azeotropic distillation

Interactions between the components of the solution create properties unique to the solution, as most processes entail nonideal mixtures, where Raoult's law does not hold. Such interactions can result in a constant-boiling azeotrope which behaves as if it were a pure compound (i.e., boils at a single temperature instead of a range). At an azeotrope, the solution contains the given component in the same proportion as the vapor, so that evaporation does not change the purity, and distillation does not effect separation. For example, ethyl alcohol and water form an azeotrope of 95.6% at 78.1 °C.

If the azeotrope is not considered sufficiently pure for use, there exist some techniques to break the azeotrope to give a pure distillate. This set of techniques are known as azeotropic distillation. Some techniques achieve this by "jumping" over the azeotropic composition (by adding an additional component to create a new azeotrope, or by varying the pressure). Others work by chemically or physically removing or sequestering the impurity. For example, to purify ethanol beyond 95%, a drying agent or a (desiccant such as potassium carbonate) can be added to convert the soluble water into insoluble water of crystallization. Molecular sieves are often used for this purpose as well.

Immiscible liquids, such as water and toluene, easily form azeotropes. Commonly, these azeotropes are referred to as a low boiling azeotrope because the boiling point of the azeotrope is lower than the boiling point of either pure component. The temperature and composition of the azeotrope is easily predicted from the vapor pressure of the pure components, without use of Raoult's law. The azeotrope is easily broken in a distillation set-up by using a liquid-liquid separator (a decanter) to separate the two liquid layers that are condensed overhead. Only one of the two liquid layers is refluxed to the distillation set-up.

High boiling azeotropes, such as a 20 weight percent mixture of hydrochloric acid in water, also exist. As implied by the name, the boiling point of the azeotrope is greater than the boiling point of either pure component.

To break azeotropic distillations and cross distillation boundaries, such as in the DeRosier Problem, it is necessary to increase the composition of the light key in the distillate.

Breaking an azeotrope with unidirectional pressure manipulation

The boiling points of components in an azeotrope overlap to form a band. By exposing an azeotrope to a vacuum or positive pressure, it's possible to bias the boiling point of one component away from the other by exploiting the differing vapour pressure curves of each; the curves may overlap at the azeotropic point, but are unlikely to be remain identical further along the pressure axis either side of the azeotropic point. When the bias is great enough, the two boiling points no longer overlap and so the azeotropic band disappears.

This method can remove the need to add other chemicals to a distillation, but it has two potential drawbacks.

Under negative pressure, power for a vacuum source is needed and the reduced boiling points of the distillates requires that the condenser be run cooler to prevent distillate vapours being lost to the vacuum source. Increased cooling demands will often require additional energy and possibly new equipment or a change of coolant.

Alternatively, if positive pressures are required, standard glassware can not be used, energy must be used for pressurization and there is a higher chance of side reactions occurring in the distillation, such as decomposition, due to the higher temperatures required to effect boiling.

A unidirectional distillation will rely on a pressure change in one direction, either positive or negative.

Pressure-swing distillation

 

Pressure-swing distillation is essentially the same as the unidirectional distillation used to break azeotropic mixtures, but here both positive and negative pressures may be employed.
This has an important impact on the selectivity of the distillation and allows a chemist to optimize a process such that fewer extremes of pressure and temperature are required and less energy is consumed. This is particularly important in commercial applications.
Pressure-swing distillation is employed during the industrial purification of ethyl acetate after its catalytic synthesis from ethanol.

Industrial distillation

Typical industrial distillation towers

Main article: Continuous distillation

Large scale industrial distillation applications include both batch and continuous fractional, vacuum, azeotropic, extractive, and steam distillation. The most widely used industrial applications of continuous, steady-state fractional distillation are in petroleum refineries, petrochemical and chemical plants and natural gas processing plants.
Industrial distillation is typically performed in large, vertical cylindrical columns known as distillation towers or distillation columns with diameters ranging from about 65 centimeters to 16 meters and heights ranging from about 6 meters to 90 meters or more. When the process feed has a diverse composition, as in distilling crude oil, liquid outlets at intervals up the column allow for the withdrawal of different fractions or products having different boiling points or boiling ranges. The "lightest" products (those with the lowest boiling point) exit from the top of the columns and the "heaviest" products (those with the highest boiling point) exit from the bottom of the column and are often called the bottoms.

Diagram of a typical industrial distillation tower

Industrial towers use reflux to achieve a more complete separation of products. Reflux refers to the portion of the condensed overhead liquid product from a distillation or fractionation tower that is returned to the upper part of the tower as shown in the schematic diagram of a typical, large-scale industrial distillation tower. Inside the tower, the downflowing reflux liquid provides cooling and condensation of the upflowing vapors thereby increasing the efficiency of the distillation tower. The more reflux that is provided for a given number of theoretical plates, the better the tower's separation of lower boiling materials from higher boiling materials. Alternatively, the more reflux that is provided for a given desired separation, the fewer the number of theoretical plates required.
Such industrial fractionating towers are also used in air separation, producing liquid oxygen, liquid nitrogen, and high purity argon. Distillation of chlorosilanes also enables the production of high-purity silicon for use as a semiconductor.

Section of an industrial distillation tower showing detail of trays with bubble caps

Design and operation of a distillation tower depends on the feed and desired products. Given a simple, binary component feed, analytical methods such as the McCabe-Thiele method or the Fenske equation can be used. For a multi-component feed, simulation models are used both for design and operation. Moreover, the efficiencies of the vapor-liquid contact devices (referred to as "plates" or "trays") used in distillation towers are typically lower than that of a theoretical 100% efficient equilibrium stage. Hence, a distillation tower needs more trays than the number of theoretical vapor-liquid equilibrium stages.
In modern industrial uses, generally a packing material is used in the column instead of trays, especially when low pressure drops across the column are required, as when operating under vacuum.

Large-scale, industrial vacuum distillation column

This packing material can either be random dumped packing (1-3" wide) such as Raschig rings or structured sheet metal. Liquids tend to wet the surface of the packing and the vapors pass across this wetted surface, where mass transfer takes place. Unlike conventional tray distillation in which every tray represents a separate point of vapor-liquid equilibrium, the vapor-liquid equilibrium curve in a packed column is continuous. However, when modeling packed columns, it is useful to compute a number of "theoretical stages" to denote the separation efficiency of the packed column with respect to more traditional trays. Differently shaped packings have different surface areas and void space between packings. Both of these factors affect packing performance.
Another factor in addition to the packing shape and surface area that affects the performance of random or structured packing is the liquid and vapor distribution entering the packed bed. The number of theoretical stages required to make a given separation is calculated using a specific vapor to liquid ratio. If the liquid and vapor are not evenly distributed across the superficial tower area as it enters the packed bed, the liquid to vapor ratio will not be correct in the packed bed and the required separation will not be achieved. The packing will appear to not be working properly. The height equivalent of a theoretical plate (HETP) will be greater than expected. The problem is not the packing itself but the mal-distribution of the fluids entering the packed bed. Liquid mal-distribution is more frequently the problem than vapor. The design of the liquid distributors used to introduce the feed and reflux to a packed bed is critical to making the packing perform to it maximum efficiency. Methods of evaluating the effectiveness of a liquid distributor to evenly distribute the liquid entering a packed bed can be found in references. Considerable work as been done on this topic by Fractionation Research, Inc. (commonly known as FRI).

Multi-effect distillation

The goal of multi-effect distillation is to increase the energy efficiency of the process, for use in desalination, or in some cases one stage in the production of ultrapure water. The number of effects is proportional to the kW·h/m³ of water recovered figure, and refers to the volume of water recovered per unit of energy compared with single-effect distillation. One effect is roughly 636 kW·h/m³.

• Multi-stage flash distillation Can achieve more than 20 effects with thermal energy input, as mentioned in the article.

• Vapor compression evaporation Commercial large-scale units can achieve around 72 effects with electrical energy input, according to manufacturers.

There are many other types of multi-effect distillation processes, including one referred to as simply multi-effect distillation (MED), in which multiple chambers, with intervening heat exchangers, are employed.

Distillation in food processing

Distilled beverages

Main article: Distilled beverage

Carbohydrate-containing plant materials are allowed to ferment, producing a dilute solution of ethanol in the process. Spirits such as whiskey and rum are prepared by distilling these dilute solutions of ethanol. Components other than ethanol, including water, esters, and other alcohols, are collected in the condensate, which account for the flavor of the beverage.

Meganthropus

Meganthropus is a name commonly given to several large jaw and skull fragments from Sangiran, Central Java. The original scientific name was Meganthropus palaeojavanicus, and while it is commonly considered invalid today, the genus name has survived as something of an informal nickname for the fossils. As of 2005, the taxonomy and phylogeny for the specimens are still uncertain, although most paleoanthropologists considering them related to Homo erectus in some way. However, the names Homo palaeojavanicus and even Australopithecus palaeojavanicus are sometimes used as well, indicating the classification uncertainty. Of particular interest is that the finds were sometimes regarded as those of giants, although that is unsubstantiated.

After the discovery of a robust skull in Swartkrans in 1948 (SK48), the name Meganthropus africanus was briefly applied. However, that specimen is now formally known as Paranthropus robustus and the earlier name is a junior synonym.

Some of these finds were accompanied by evidence of tool use similar to that of Homo erectus. This is the reason it is often linked with that species.

The number of fossil finds has been relatively small, and it is a distinct possibility that they are a paraphyletic assemblage. Due to this, they will be discussed in detail separately.Fossil finds

Meganthropus A/Sangiran 6

This large jaw fragment was first found in 1941 by von Koenigswald. Koenigswald was captured by the Japanese in World War II, but managed to send a cast of the jaw to Franz Weidenreich. Weidenreich described and named the specimen in 1945, and was struck by its size, it was the largest hominid jaw then known. The jaw was roughly the same height as a gorilla's, but had a different form. Whereas in anthropoids the mandible (=jaw) has its greatest height at the symphysis, that is, where the two rami of the lower jaw meet, this is not the case in Sangiran 6, where the greatest height is seen at about the position of the first molar (M1). Weidenreich considered acromegalic gigantism, but ruled it out for not having typical features such as an exaggerated chin and small teeth compared to the jaw's size. Weidenreich never made a direct size estimate of the hominid it came from, but said it was 2/3 the size of Gigantopithecus, which was twice as large as a gorilla, which would make it somewhere around 8 feet (2.44 m) tall. The jawbone was apparently used in part of Grover Krantz's skull reconstruction, which was only 8.5 inches (21 centimeters) tall.

Meganthropus B/Sangiran 8

This was another jaw fragment described by Marks in 1953. It was around the same size and shape as the original mandible, but it was also severely damaged. Recent work by a Japanese/Indonesian team repaired the fossil, which was an adult, and showed it to be smaller than known specimens of H. erectus. Curiously, the specimen did retain several traits unique to the first mandibular find and not known in H. erectus. No size estimates have been made yet.

Meganthropus C/Sangiran 33/BK 7905

This mandibular fragment was discovered in 1979, and has some characteristics in common with previous mandible finds . Its connection with Meganthropus appears to be the most tenuous out of the mandibular discoveries.

Meganthropus D

This mandible and ramus was acquired by Sartono in 1993, and has been dated to between 1.4 and 0.9 million years ago. The ramus portion is badly damaged, but the mandible fragment appears relatively unharmed, although details of the teeth have been lost. It is slightly smaller than Meganthropus A and very similar in shape. Sartono, Tyler, and Krantz agreed that Meganthropus A and D were very likely to be representations of the same species, whatever it turns out to be .

Meganthropus I/Sangiran 27

Tyler described this specimen as being a nearly complete but crushed cranium within the size limit of Meganthropus and outside the (assumed) limit of H. erectus. The specimen was unusual for having a double temporal ridges that almost meet at the top of the cranium and a heavily thickened nuchal ridge.

Meganthropus II/Sangiran 31

This skull fragment was first described by Sartono in 1982. Tyler's analysis came to the conclusion that it was out of the normal range of H. erectus. The cranium was deeper, lower vaulted, and wider than any specimen previously recovered.It had the same double sagittal crest or double temporal ridge with a cranial capacity of around 800–1000cc. Since its presentation at the AAPA meeting in 1993, Tyler's reconstruction of Sangiran 31 has been accepted by most authorities. As with most fossils it was heavily damaged, but given the completeness of the post facial cranium the chances of error in its reconstruction are very small. Tyler's accepted reconstruction of Sangiran 31 shows a doubleor double temporal ridge. In either case, the temporal muscles extend to the top of the parietal where they almost join. There are no other Homo erectus specimens that exhibits this trait. Krantz's reconstruction of making Sangiran 31 a giant Homo habilis is dubious at best.

Meganthropus III

This is another fossil with only tenuous ties to Meganthropus. It is what seems to be the posterior part of a hominid cranium, measuring about 10 to 7 cm. It has been described by Tyler (1996), who found that the occipital angle of the whole cranium must have been at about 120°, which, according to him, would be out of the known range of Homo erectus, the latter having a much more angled occiput. His interpretation of the cranial fragment was, however, questioned by other authorities including doubts that the fragment was really representing the part of a skull that Tyler had interpreted it as.

Scientific interpretation

Weidenreich theorized that Meganthropus was a descendant of Gigantopithecus, and gave rise to Pithecanthropus, and then modern Asians. This hypothesis, part of the multi-regional theory of human evolution, has been discarded by mainstream paleoanthropology.

The second major theory, first proposed by J.T. Robinson, was that the Meganthropus finds are representative of a Southeast Asianaustralopithecine. This position has been adopted by several authorities, such as Koenigswald and Krantz, but they were still regarded as a vocal minority . There was also discussion as to whether they are closer to Australopithecus or Paranthropus.

The majority of paleoanthropologists believe that Meganthropus is related to H. erectus, but it is not agreed upon how closely. Sartono believed that while it is related to H. erectus, the finds represent a new species, H. paleojavanicus. On the other side, several authors believe that they are merely the males of H. erectus, the alleged large size and robusticity being only due to early author's assumption that the females were males . There appears to be a consensus that there are some differences between Meganthropus and conventional H. erectus, but opinion is variable as to what the differences mean.

Extreme claims

Meganthropus has been the target of numerous extreme claims, none of which are supported by peer-reviewed authors. Perhaps the most common claim is that Meganthropus was a giant, one unsourced claim put them at 9 feet (2.75 m) tall and 750 to 1000 pounds (340 to 450 kilograms). No exact height has been published in a peer reviewed journal recently, and none give an indication of Meganthropus being substantially larger than H. erectus.

There have been some rumors of post-cranial material, but those have either yet to be published or belong to H. erectus. Reports, most if not all apparently from Australian researcher Rex Gilroy, place Meganthropus in Australia, and attach it to giant tools and even modern day reports. However, almost all paleoanthropologists maintain that Meganthropus is only known from central Java. In a similar way, someBigfoot researchers claim that Bigfoot is a modern Meganthropus

Borobudur

Borobudur adalah nama sebuah candi Buddha yang terletak di Borobudur, Magelang, Jawa Tengah, Indonesia. Lokasi candi adalah kurang lebih 100 km di sebelah barat daya Semarang dan 40 km di sebelah barat laut Yogyakarta. Candi berbentuk stupa ini didirikan oleh para penganut agama Buddha Mahayana sekitar tahun 800-an Masehi pada masa pemerintahan wangsa Syailendra. Monumen ini terdiri atas enam teras berbentuk bujur sangkar yeng diatasnya terdapat tiga pelataran melingkar, pada dindingnya dihiasi dengan 2.672 panel relief dan aslinya terdapat 504 arca Buddha. Stupa utama terbesar teletak di tengah sekaligus memahkotai bangunan ini, dikelilingi oleh tiga barisan melingkar 72 stupa berlubang yang didalamnya terdapat arca buddha tengah duduk bersila dalam posisi teratai sempurna dengan mudra (sikap tangan) Dharmachakra mudra (memutar roda dharma).
Monumen ini merupakan model alam semesta dan dibangun sebagai tempat suci untuk memuliakan Buddha sekaligus berfungsi sebagai tempat ziarah untuk menuntun umat manusia beralih dari alam nafsu duniawi menuju pencerahan dan kebijaksanaan sesuai ajaran Buddha. Para peziarah masuk melalui sisi timur memulai ritual di dasar candi dengan berjalan melingkari bangunan suci ini searah jarum jam, sambil terus naik ke undakan berikutnya melalui tiga tingkatan ranah dalam kosmologi Buddha. Ketiga tingkatan itu adalah Kāmadhātu (ranah hawa nafsu), Rupadhatu (ranah berwujud), dan Arupadhatu (ranah tak berwujud). Dalam perjalanannya ini peziarah berjalan melalui serangkaian lorong dan tangga dengan menyaksikan tak kurang dari 1.460 panel relief indah yang terukir pada dinding dan pagar langkan.
Menurut bukti-bukti sejarah, Borobudur ditinggalkan pada abad ke-14 seiring melemahnya pengaruh kerajaan Hindu dan Buddha di Jawa serta mulai masuknya pengaruh Islam. Dunia mulai menyadari keberadaan bangunan ini sejak ditemukan 1814 oleh Sir Thomas Stamford Raffles, yang saat itu menjabat sebagai Gubernur Jenderal Inggris atas Jawa. Sejak saat itu Borobudur telah mengalami serangkaian upaya penyelamatan dan pemugaran. Proyek pemugaran terbesar digelar pada kurun 1975 hingga 1982 atas upaya Pemerintah Republik Indonesia dan UNESCO, kemudian situs bersejarah ini masuk dalam daftar Situs Warisan Dunia.
Borobudur kini masih digunakan sebagai tempat ziarah keagamaan; tiap tahun umat Buddha yang datang dari seluruh Indonesia dan mancanegara berkumpul di Borobudur untuk memperingati Trisuci Waisak. Dalam dunia pariwisata, Borobudur adalah obyek wisata tunggal di Indonesia yang paling banyak dikunjungi wisatawan.

Nama Borobudur

Stupa Borobudur dengan jajaran perbukitan Menoreh. Selama berabad-abad bangunan suci ini sempat terlupakan.

Dalam Bahasa Indonesia, bangunan keagamaan purbakala disebut candi; istilah candi juga digunakan secara lebih luas untuk merujuk kepada semua bangunan purbakala yang berasal dari masa Hindu-Buddha di Nusantara, misalnya gerbang, gapura, dan petirtaan (kolam dan pancuran pemandian). Asal mula nama Borobudur tidak jelas, meskipun memang nama asli dari kebanyakan candi di Indonesia tidak diketahui.^[8] Nama Borobudur pertama kali ditulis dalam buku "Sejarah Pulau Jawa" karya Sir Thomas Raffles. Raffles menulis mengenai monumen bernama borobudur, akan tetapi tidak ada dokumen yang lebih tua yang menyebutkan nama yang sama persis. Satu-satunya naskah Jawa kuno yang memberi petunjuk mengenai adanya bangunan suci Buddha yang mungkin merujuk kepada Borobudur adalah Nagarakretagama, yang ditulis oleh Mpu Prapanca pada 1365.
Nama Bore-Budur, yang kemudian ditulis BoroBudur, kemungkinan ditulis Raffles dalam tata bahasa Inggris untuk menyebut desa terdekat dengan candi itu yaitu desa Bore (Boro); kebanyakan candi memang seringkali dinamai berdasarkan desa tempat candi itu berdiri. Raffles juga menduga bahwa istilah 'Budur' mungkin berkaitan dengan istilah Buda dalam bahasa Jawa yang berarti "purba"– maka bermakna, "Boro purba".Akan tetapi arkeolog lain beranggapan bahwa nama Budur berasal dari istilah bhudhara yang berarti gunung.
Banyak teori yang berusaha menjelaskan nama candi ini. Salah satunya menyatakan bahwa nama ini kemungkinan berasal dari kata Sambharabhudhara, yaitu artinya "gunung" (bhudara) di mana di lereng-lerengnya terletak teras-teras. Selain itu terdapat beberapa etimologi rakyat lainnya. Misalkan kata borobudur berasal dari ucapan "para Buddha" yang karena pergeseran bunyi menjadi borobudur. Penjelasan lain ialah bahwa nama ini berasal dari dua kata "bara" dan "beduhur". Kata bara konon berasal dari kata vihara, sementara ada pula penjelasan lain di mana bara berasal dari bahasa Sansekerta yang artinya kompleks candi atau biara dan beduhur artinya ialah "tinggi", atau mengingatkan dalam bahasa Bali yang berarti "di atas". Jadi maksudnya ialah sebuah biara atau asrama yang berada di tanah tinggi.
Sejarawan J.G. de Casparis dalam disertasinya untuk mendapatkan gelar doktor pada 1950 berpendapat bahwa Borobudur adalah tempat pemujaan. Berdasarkan prasasti Karangtengah dan Tri Tepusan, Casparis memperkirakan pendiri Borobudur adalah raja Mataram dari wangsa Syailendra bernama Samaratungga, yang melakukan pembangunan sekitar tahun 824 M. Bangunan raksasa itu baru dapat diselesaikan pada masa putrinya, Ratu Pramudawardhani. Pembangunan Borobudur diperkirakan memakan waktu setengah abad. Dalam prasasti Karangtengah pula disebutkan mengenai penganugerahan tanah sima (tanah bebas pajak) oleh Çrī Kahulunan (Pramudawardhani) untuk memelihara Kamūlān yang disebut Bhūmisambhāra.  Istilah Kamūlān sendiri berasal dari kata mula yang berarti tempat asal muasal, bangunan suci untuk memuliakan leluhur, kemungkinan leluhur dari wangsa Sailendra. Casparis memperkirakan bahwa Bhūmi Sambhāra Bhudhāra dalam bahasa sansekerta yang berarti "Bukit himpunan kebajikan sepuluh tingkatan boddhisattwa", adalah nama asli Borobudur.

Lingkungan sekitar

Borobudur, Pawon, dan Mendut terbujur dalam satu garis lurus yang menunjukan kesatuan perlambang

Terletak sekitar 40 kilometer (25 mil) barat laut dari Kota Yogyakarta, Borobudur terletak di atas bukit pada dataran yang dikeliling dua pasang gunung kembar; Gunung Sundoro-Sumbing di sebelah barat laut dan Merbabu-Merapi di sebelah timur laut, di sebelah utaranya terdapat bukit Tidar, lebih dekat di sebelah selatan terdapat jajaran perbukitan Menoreh, serta candi ini terletak dekat pertemuan dua sungai yaitu Sungai Progo dan Sungai Elo di sebelah timur. Menurut legenda Jawa, daerah yang dikenal sebagai dataran Kedu adalah tempat yang dianggap suci dalam kepercayaan Jawa dan disanjung sebagai 'Taman pulau Jawa' karena keindahan alam dan kesuburan tanahnya.

Tiga candi serangkai

Selain Borobudur, terdapat beberapa candi Buddha dan Hindu di kawasan ini. Pada masa penemuan dan pemugaran di awal abad ke-20 ditemukan candi Buddha lainnya yaitu Candi Mendut dan Candi Pawon yang terbujur membentang dalam satu garis lurus. Awalnya diduga hanya suatu kebetulan, akan tetapi berdasarkan dongeng penduduk lokal, dulu terdapat jalan berlapis batu yang dipagari pagar langkan di kedua sisinya yang menghubungkan ketiga candi ini. Tidak ditemukan bukti fisik adanya jalan raya beralas batu dan berpagar dan mungkin ini hanya dongeng belaka, akan tetapi para pakar menduga memang ada kesatuan perlambang dari ketiga candi ini. Ketiga candi ini (Borobudur-Pawon-Mendut) memiliki kemiripan langgam arsitektur dan ragam hiasnya dan memang berasal dari periode yang sama yang memperkuat dugaan adanya keterkaitan ritual antar ketiga candi ini. Keterkaitan suci pasti ada, akan tetapi bagaimanakah proses ritual keagamaan ziarah dilakukan, belum diketahui secara pasti.
Selain candi Mendut dan Pawon, di sekitar Borobudur juga ditemukan beberapa peninggalan purbakala lainnya, diantaranya berbagai temuan tembikar seperti periuk dan kendi yang menunjukkan bahwa di sekitar Borobudur dulu terdapat beberapa wilayah hunian. Temuan-temuan purbakala di sekitar Borobudur kini disimpan di Museum Karmawibhangga Borobudur, yang terletak di sebelah utara candi bersebelahan dengan Museum Samudra Raksa. Tidak seberapa jauh di sebelah utara Candi Pawon ditemukan reruntuhan bekas candi Hindu yang disebut Candi Banon. Pada candi ini ditemukan beberapa arca dewa-dewa utama Hindu dalam keadaan cukup baik yaitu Shiwa, Wishnu, Brahma, serta Ganesha. Akan tetapi batu asli Candi Banon amat sedikit ditemukan sehingga tidak mungkin dilakukan rekonstruksi. Pada saat penemuannya arca-arca Banon diangkut ke Batavia (kini Jakarta) dan kini disimpan di Museum Nasional Indonesia.

Danau purba

Borobudur di tengah kehijauan alam dataran Kedu. Diduga dulu kawasan di sekeliling Borobudur adalah danau purba.

Tidak seperti candi lainnya yang dibangun di atas tanah datar, Borobudur dibangun di atas bukit dengan ketinggian 265 m (870 kaki) dari permukaan laut dan 15 m (49 kaki) di atas dasar danau purba yang telah mengering. Keberadaan danau purba ini menjadi bahan perdebatan yang hangat di kalangan arkeolog pada abad ke-20; dan menimbulkan dugaan bahwa Borobudur dibangun di tepi atau bahkan di tengah danau. Pada 1931, seorang seniman dan pakar arsitektur Hindu Buddha, W.O.J. Nieuwenkamp, mengajukan teori bahwa Dataran Kedu dulunya adalah sebuah danau, dan Borobudur dibangun melambangkan bunga teratai yang mengapung di atas permukaan danau. Bunga teratai baik dalam bentuk padma (teratai merah), utpala (teratai biru), ataupun kumuda (teratai putih) dapat ditemukan dalam semua ikonografi seni keagamaan Buddha; seringkali digenggam oleh Boddhisatwa sebagai laksana (lambang regalia), menjadi alas duduk singgasana Buddha atau sebagai lapik stupa. Bentuk arsitektur Borobudur sendiri menyerupai bunga teratai, dan postur Budha di Borobudur melambangkan Sutra Teratai yang kebanyakan ditemui dalam naskah keagamaan Buddha mahzab Mahayana (aliran Buddha yang kemudian menyebar ke Asia Timur). Tiga pelataran melingkar di puncak Borobudur juga diduga melambangkan kelopak bunga teratai. Akan tetapi teori Nieuwenkamp yang terdengar luar biasa dan fantastis ini banyak menuai bantahan dari para arkeolog; pada daratan di sekitar monumen ini telah ditemukan bukti-bukti arkeologi yang membuktikan bahwa kawasan sekitar Borobudur pada masa pembangunan candi ini adalah daratan kering, bukan dasar danau purba.
Sementara itu pakar geologi justru mendukung pandangan Nieuwenkamp dengan menunjukkan bukti adanya endapan sedimen lumpur di dekat situs ini. Sebuah penelitian stratigrafi, sedimen dan analisis sampel serbuk sari yang dilakukan tahun 2000 mendukung keberadaan danau purba di lingkungan sekitar Borobudur, yang memperkuat gagasan Nieuwenkamp. Ketinggian permukaan danau purba ini naik-turun berubah-ubah dari waktu ke waktu, dan bukti menunjukkan bahwa dasar bukit dekat Borobudur pernah kembali terendam air dan menjadi tepian danau sekitar abad ke-13 dan ke-14. Aliran sungai dan aktivitas vulkanik diduga memiliki andil turut merubah bentang alam dan topografi lingkungan sekitar Borobudur termasuk danaunya. Salah satu gunung berapi paling aktif di Indonesia adalah Gunung Merapi yang terletak cukup dekat dengan Borobudur dan telah aktif sejak masa Pleistosen.

Sejarah

Pembangunan

Lukisan karya G.B. Hooijer (dibuat kurun 1916—1919) merekonstruksi suasana di Borobudur pada masa jayanya

Tidak ditemukan bukti tertulis yang menjelaskan siapakah yang membangun Borobudur dan apa kegunaannya. Waktu pembangunannya diperkirakan berdasarkan perbandingan antara jenis aksara yang tertulis di kaki tertutup Karmawibhangga dengan jenis aksara yang lazim digunakan pada prasasti kerajaan abad ke-8 dan ke-9. Diperkirakan Borobudur dibangun sekitar tahun 800 masehi. Kurun waktu ini sesuai dengan kurun antara 760 dan 830 AD, masa puncak kejayaan wangsa Syailendra di Jawa Tengah, yang kala itu dipengaruhi Kemaharajaan Sriwijaya. Pembangunan Borobudur diperkirakan menghabiskan waktu 75 tahun dan dirampungkan pada masa pemerintahan Samaratungga pada tahun 825.
Terdapat kesimpangsiuran fakta mengenai apakah raja yang berkuasa di Jawa kala itu beragama Hindu atau Buddha. Wangsa Sailendra diketahui sebagai penganut agama Buddha aliran Mahayana yang taat, akan tetapi melalui temuan prasasti Sojomerto menunjukkan bahwa mereka mungkin awalnya beragama Hindu Siwa.Pada kurun waktu itulah dibangun berbagai candi Hindu dan Buddha di Dataran Kedu. Candi Buddha Borobudur dibangun pada kurun waktu yang hampir bersamaan dengan candi-candi di Dataran Prambanan termasuk candi Siwa Prambanan. Pada tahun 732 AD, raja beragama Siwa Sanjaya memerintahkan pembangunan bangunan suci Shiwalingga yang dibangun di perbukitan Gunung Wukir, letaknya hanya 10 km (6.2 mil) sebelah timur dari Borobudur.
Pembangunan candi-candi Buddha — termasuk Borobudur — saat itu dimungkinkan karena pewaris Sanjaya, Rakai Panangkaran memberikan izin kepada umat Buddha untuk membangun candi. Bahkan untuk menunjukkan penghormatannya, Panangkaran menganugerahkan desa Kalasan kepada sangha (komunitas Buddha), untuk pemeliharaan dan pembiayaan Candi Kalasan yang dibangun untuk memuliakan Bodhisattwadewi Tara, sebagaimana disebutkan dalam Prasasti Kalasan berangka tahun 778 Masehi. Petunjuk ini dipahami oleh para arkeolog, bahwa pada masyarakat Jawa kuno, agama tidak pernah menjadi masalah yang dapat menuai konflik, dengan dicontohkan raja penganut agama Hindu bisa saja menyokong dan mendanai pembangunan candi Buddha, demikian pula sebaliknya. Akan tetapi diduga terdapat persaingan antara dua wangsa kerajaan pada masa itu — wangsa Syailendra yang menganut Buddha dan wangsa Sanjaya yang memuja Siwa — yang kemudian wangsa Sanjaya memenangi pertempuran pada tahun 856 di perbukitan Ratu Boko. Ketidakjelasan juga timbul mengenai candi Lara Jonggrang di Prambanan, candi megah yang dipercaya dibangun oleh sang pemenang Rakai Pikatan sebagai jawaban wangsa Sanjaya untuk menyaingi kemegahan Borobudur milik wangsa Syailendra, akan tetapi banyak pihak percaya bahwa terdapat suasana toleransi dan kebersamaan yang penuh kedamaian antara kedua wangsa ini yaitu pihak Sailendra juga terlibat dalam pembangunan Candi Siwa di Prambanan.

Tahapan pembangunan Borobudur

Para ahli arkeologi menduga bahwa rancangan awal Borobudur adalah stupa tunggal yang sangat besar memahkotai puncaknya. Diduga massa stupa raksasa yang luar biasa besar dan berat ini membahayakan tubuh dan kaki candi sehingga arsitek perancang Borobudur memutuskan untuk membongkar stupa raksasa ini dan diganti menjadi tiga barisan stupa kecil dan satu stupa induk seperti sekarang. Berikut adalah perkiraan tahapan pembangunan Borobudur:

1. Tahap pertama: Masa pembangunan Borobudur tidak diketahui pasti (diperkirakan kurun 750 dan 850 M). Borobudur dibangun di atas bukit alami, bagian atas bukit diratakan dan pelataran datar diperluas. Sesungguhnya Borobudur tidak seluruhnya terbuat dari batu andesit, bagian bukit tanah dipadatkan dan ditutup struktur batu sehingga menyerupai cangkang yang membungkus bukit tanah. Sisa bagian bukit ditutup struktur batu lapis demi lapis. Pada awalnya dibangun tata susun bertingkat. Sepertinya dirancang sebagai piramida berundak, tetapi kemudian diubah. Sebagai bukti ada tata susun yang dibongkar. Dibangun tiga undakan pertama yang menutup struktur asli piramida berundak.
2. Tahap kedua: Penambahan dua undakan persegi, pagar langkan dan satu undak melingkar yang diatasnya langsung dibangun stupa tunggal yang sangat besar.
3. Tahap ketiga: Terjadi perubahan rancang bangun, undak atas lingkaran dengan stupa tunggal induk besar dibongkar dan diganti tiga undak lingkaran. Stupa-stupa yang lebih kecil dibangun berbaris melingkar pada pelataran undak-undak ini dengan satu stupa induk yang besar di tengahnya. Karena alasan tertentu pondasi diperlebar, dibangun kaki tambahan yang membungkus kaki asli sekaligus menutup relief Karmawibhangga. Para arkeolog menduga bahwa Borobudur semula dirancang berupa stupa tunggal yang sangat besar memahkotai batur-batur teras bujur sangkar. Akan tetapi stupa besar ini terlalu berat sehingga mendorong struktur bangunan condong bergeser keluar. Patut diingat bahwa inti Borobudur hanyalah bukit tanah sehingga tekanan pada bagian atas akan disebarkan ke sisi luar bagian bawahnya sehingga Borobudur terancam longsor dan runtuh. Karena itulah diputuskan untuk membongkar stupa induk tunggal yang besar dan menggantikannya dengan teras-teras melingkar yang dihiasi deretan stupa kecil berterawang dan hanya satu stupa induk. Untuk menopang agar dinding candi tidak longsor maka ditambahkan struktur kaki tambahan yang membungkus kaki asli. Struktur ini adalah penguat dan berfungsi bagaikan ikat pinggang yang mengikat agar tubuh candi tidak ambrol dan runtuh keluar, sekaligus menyembunyikan relief Karmawibhangga pada bagian Kamadhatu
4. Tahap keempat: Ada perubahan kecil seperti penyempurnaan relief, penambahan pagar langkan terluar, perubahan tangga dan pelengkung atas gawang pintu, serta pelebaran ujung kaki.

Borobudur diterlantarkan

Meletusnya Gunung Merapi diduga sebagai penyebab utama diterlantarkannya Borobudur

Borobudur tersembunyi dan terlantar selama berabad-abad terkubur di bawah lapisan tanah dan debu vulkanik yang kemudian ditumbuhi pohon dan semak belukar sehingga Borobudur kala itu benar-benar menyerupai bukit. Alasan sesungguhnya penyebab Borobudur ditinggalkan hingga kini masih misteri. Tidak diketahui secara pasti sejak kapan bangunan suci ini tidak lagi menjadi pusat ziarah umat Buddha. Pada kurun 928 dan 1006, Raja Mpu Sindok memindahkan ibu kota kerajaan Medang ke kawasan Jawa Timur setelah serangkaian letusan gunung berapi; tidak dapat dipastikan apakah faktor inilah yang menyebabkan Borobudur ditinggalkan, akan tetapi beberapa sumber menduga bahwa sangat mungkin Borobudur mulai ditinggalkan pada periode ini. Bangunan suci ini disebutkan secara samar-samar sekitar tahun 1365, oleh Mpu Prapanca dalam naskahnya Nagarakretagama yang ditulis pada masa kerajaan Majapahit. Ia menyebutkan adanya "Wihara di Budur". Selain itu Soekmono (1976) juga mengajukan pendapat populer bahwa candi ini mulai benar-benar ditinggalkan sejak penduduk sekitar beralih keyakinan kepada Islam pada abad ke-15.
Monumen ini tidak sepenuhnya dilupakan, melalui dongeng rakyat Borobudur beralih dari sebagai bukti kejayaan masa lampau menjadi kisah yang lebih bersifat tahayul yang dikaitkan dengan kesialan, kemalangan dan penderitaan. Dua Babad Jawa yang ditulis abad ke-18 menyebutkan nasib buruk yang dikaitkan dengan monumen ini. Menurut Babad Tanah Jawi (Sejarah Jawa), monumen ini merupakan faktor fatal bagi Mas Dana, pembangkang yang memberontak kepada Pakubuwono I, raja Kesultanan Mataram pada 1709. Disebutkan bahwa bukit "Redi Borobudur" dikepung dan para pemberontak dikalahkan dan dihukum mati oleh raja. Dalam Babad Mataram (Sejarah Kerajaan Mataram), monumen ini dikaitkan dengan kesialan Pangeran Monconagoro, putra mahkota Kesultanan Yogyakarta yang mengunjungi monumen ini pada 1757. Meskipun terdapat tabu yang melarang orang untuk mengunjungi monumen ini, "Sang Pangeran datang dan mengunjungi satria yang terpenjara di dalam kurungan (arca buddha yang terdapat di dalam stupa berterawang)". Setelah kembali ke keraton, sang Pangeran jatuh sakit dan meninggal dunia sehari kemudian. Dalam kepercayaan Jawa pada masa Mataram Islam, reruntuhan bangunan percandian dianggap sebagai tempat bersemayamnya roh halus dan dianggap wingit (angker) sehingga dikaitkan dengan kesialan atau kemalangan yang mungkin menimpa siapa saja yang mengunjungi dan mengganggu situs ini. Meskipun secara ilmiah diduga, mungkin setelah situs ini tidak terurus dan ditutupi semak belukar, tempat ini pernah menjadi sarang wabah penyakit seperti demam berdarah atau malaria.

Penemuan kembali

Foto pertama Borobudur oleh Isidore van Kinsbergen (1873) setelah monumen ini dibersihkan dari tanaman yang tumbuh pada tubuh candi. Bendera Belanda tampak pada stupa utama candi.

Teras tertinggi setelah restorasi Van Erp. Stupa utama memiliki menara dengan chattra (payung) susun tiga.

Setelah Perang Inggris-Belanda dalam memperebutkan pulau Jawa, Jawa dibawah pemerintahan Britania (Inggris) pada kurun 1811 hingga 1816. Thomas Stamford Raffles ditunjuk sebagai Gubernur Jenderal, dan ia memiliki minat istimewa terhadap sejarah Jawa. Ia mengumpulkan artefak-artefak antik kesenian Jawa kuno dan membuat catatan mengenai sejarah dan kebudayaan Jawa yang dikumpulkannya dari perjumpaannya dengan rakyat setempat dalam perjalanannya keliling Jawa. Pada kunjungan inspeksinya di Semarang tahun 1814, ia dikabari mengenai adanya sebuah monumen besar jauh di dalam hutan dekat desa Bumisegoro.Karena berhalangan dan tugasnya sebagai Gubernur Jenderal, ia tidak dapat pergi sendiri untuk mencari bangunan itu dan mengutus H.C. Cornelius, seorang insinyur Belanda, untuk menyelidiki keberadaan bangunan besar ini. Dalam dua bulan, Cornelius beserta 200 bawahannya menebang pepohonan dan semak belukar yang tumbuh di bukit Borobudur dan membersihkan lapisan tanah yang mengubur candi ini. Karena ancaman longsor, ia tidak dapat menggali dan membersihkan semua lorong. Ia melaporkan penemuannya kepada Raffles termasuk menyerahkan berbagai gambar sketsa candi Borobudur. Meskipun penemuan ini hanya menyebutkan beberapa kalimat, Raffles dianggap berjasa atas penemuan kembali monumen ini, serta menarik perhatian dunia atas keberadaan monumen yang pernah hilang ini.
Hartmann, seorang pejabat pemerintah Hindia Belanda di Keresidenan Kedu meneruskan kerja Cornelius dan pada 1835 akhirnya seluruh bagian bangunan telah tergali dan terlihat. Minatnya terhadap Borobudur lebih bersifat pribadi daripada tugas kerjanya. Hartmann tidak menulis laporan atas kegiatannya; secara khusus, beredar kabar bahwa ia telah menemukan arca buddha besar di stupa utama Pada 1842, Hartmann menyelidiki stupa utama meskipun apa yang ia temukan tetap menjadi misteri karena bagian dalam stupa kosong.
Pemerintah Hindia Belanda menugaskan F.C. Wilsen, seorang insinyur pejabat Belanda bidang teknik, ia mempelajari monumen ini dan menggambar ratusan sketsa relief. J.F.G. Brumund juga ditunjuk untuk melakukan penelitian lebih terperinci atas monumen ini, yang dirampungkannya pada 1859. Pemerintah berencana menerbitkan artikel berdasarkan penelitian Brumund yang dilengkapi sketsa-sketsa karya Wilsen, tetapi Brumund menolak untuk bekerja sama. Pemerintah Hindia Belanda kemudian menugaskan ilmuwan lain, C. Leemans, yang mengkompilasi monografi berdasarkan sumber dari Brumund dan Wilsen. Pada 1873, monograf pertama dan penelitian lebih detil atas Borobudur diterbitkan, dilanjutkan edisi terjemahannya dalam bahasa Perancis setahun kemudian. Foto pertama monumen ini diambil pada 1873 oleh ahli engrafi Belanda, Isidore van Kinsbergen.
Penghargaan atas situs ini tumbuh perlahan. Untuk waktu yang cukup lama Borobudur telah menjadi sumber cenderamata dan pendapatan bagi pencuri, penjarah candi, dan kolektor "pemburu artefak". Kepala arca Buddha adalah bagian yang paling banyak dicuri. Karena mencuri seluruh arca buddha terlalu berat dan besar, arca sengaja dijungkirkan dan dijatuhkan oleh pencuri agar kepalanya terpenggal. Karena itulah kini di Borobudur banyak ditemukan arca Buddha tanpa kepala. Kepala Buddha Borobudur telah lama menjadi incaran kolektor benda antik dan museum-museum di seluruh dunia. Pada 1882, kepala inspektur artefak budaya menyarankan agar Borobudur dibongkar seluruhnya dan reliefnya dipindahkan ke museum akibat kondisi yang tidak stabil, ketidakpastian dan pencurian yang marak di monumen. Akibatnya, pemerintah menunjuk Groenveldt, seorang arkeolog, untuk menggelar penyelidikan menyeluruh atas situs dan memperhitungkan kondisi aktual kompleks ini; laporannya menyatakan bahwa kekhawatiran ini berlebihan dan menyarankan agar bangunan ini dibiarkan utuh dan tidak dibongkar untuk dipindahkan. Pada tahun 1896, beberapa patung Buddha bersama dengan 30 batu dengan relief, dua patung singa, beberapa batu berbentuk kala, tangga dan gerbang dihadiahkan kepada Raja Thailand, Chulalongkorn yang mengunjungi Hindia Belanda (kini Indonesia) sebagai hadiah dari pemerintah Hindia Belanda ketika itu.

Pemugaran

Borobudur kembali menarik perhatian pada 1885, ketika Yzerman, Ketua Masyarakat Arkeologi di Yogyakarta, menemukan kaki tersembunyi. Foto-foto yang menampilkan relief pada kaki tersembunyi dibuat pada kurun 1890–1891. Penemuan ini mendorong pemerintah Hindia Belanda untuk mengambil langkah menjaga kelestarian monumen ini. Pada 1900, pemerintah membentuk komisi yang terdiri atas tiga pejabat untuk meneliti monumen ini: Brandes, seorang sejarawan seni, Theodoor van Erp, seorang insinyur yang juga anggota tentara Belanda, dan Van de Kamer, insinyur ahli konstruksi bangunan dari Departemen Pekerjaan Umum.

Penanaman beton dan pipa PVC untuk memperbaiki sistem drainase Borobudur pada pemugaran tahun 1973

Pada 1902, komisi ini mengajukan proposal tiga langkah rencana pelestarian Borobudur kepada pemerintah. Pertama, bahaya yang mendesak harus segera diatasi dengan mengatur kembali sudut-sudut bangunan, memindahkan batu yang membahayakan batu lain di sebelahnya, memperkuat pagar langkan pertama, dan memugar beberapa relung, gerbang, stupa dan stupa utama. Kedua, memagari halaman candi, memelihara dan memperbaiki sistem drainase dengan memperbaiki lantai dan pancuran. Ketiga, semua batuan lepas dan longgar harus dipindahkan, monumen ini dibersihkan hingga pagar langkan pertama, batu yang rusak dipindahkan dan stupa utama dipugar. Total biaya yang diperlukan pada saat itu ditaksir sekitar 48.800 Gulden.
Pemugaran dilakukan pada kurun 1907 dan 1911, menggunakan prinsip anastilosis dan dipimpin Theodor van Erp. Tujuh bulan pertama dihabiskan untuk menggali tanah di sekitar monumen untuk menemukan kepala buddha yang hilang dan panel batu. Van Erp membongkar dan membangun kembali tiga teras melingkar dan stupa di bagian puncak. Dalam prosesnya Van Erp menemukan banyak hal yang dapat diperbaiki; ia mengajukan proposal lain yang disetujui dengan anggaran tambahan sebesar 34.600 gulden. Van Erp melakukan rekonstruksi lebih lanjut, ia bahkan dengan teliti merekonstruksi chattra (payung batu susun tiga) yang memahkotai puncak Borobudur. Pada pandangan pertama, Borobudur telah pulih seperti pada masa kejayaannya. Akan tetapi rekonstruksi chattra hanya menggunakan sedikit batu asli dan hanya rekaan kira-kira. Karena dianggap tidak dapat dipertanggungjawabkan keasliannya, Van Erp membongkar sendiri bagian chattra. Kini mastaka atau kemuncak Borobudur chattra susun tiga tersimpan di Museum Karmawibhangga Borobudur.
Akibat anggaran yang terbatas, pemugaran ini hanya memusatkan perhatian pada membersihkan patung dan batu, Van Erp tidak memecahkan masalah drainase dan tata air. Dalam 15 tahun, dinding galeri miring dan relief menunjukkan retakan dan kerusakan. Van Erp menggunakan beton yang menyebabkan terbentuknya kristal garam alkali dan kalsium hidroksida yang menyebar ke seluruh bagian bangunan dan merusak batu candi. Hal ini menyebabkan masalah sehingga renovasi lebih lanjut diperlukan.
Pemugaran kecil-kecilan dilakukan sejak itu, tetapi tidak cukup untuk memberikan perlindungan yang utuh. Pada akhir 1960-an, Pemerintah Indonesia telah mengajukan permintaan kepada masyarakat internasional untuk pemugaran besar-besaran demi melindungi monumen ini. Pada 1973, rencana induk untuk memulihkan Borobudur dibuat. Pemerintah Indonesia dan UNESCO mengambil langkah untuk perbaikan menyeluruh monumen ini dalam suatu proyek besar antara tahun 1975 dan 1982. Pondasi diperkokoh dan segenap 1.460 panel relief dibersihkan. Pemugaran ini dilakukan dengan membongkar seluruh lima teras bujur sangkar dan memperbaiki sistem drainase dengan menanamkan saluran air ke dalam monumen. Lapisan saringan dan kedap air ditambahkan. Proyek kolosal ini melibatkan 600 orang untuk memulihkan monumen dan menghabiskan biaya total sebesar 6.901.243 dollar AS. Setelah renovasi, UNESCO memasukkan Borobudur ke dalam daftar Situs Warisan Dunia pada tahun 1991. Borobudur masuk dalam kriteria Budaya (i) "mewakili mahakarya kretivitas manusia yang jenius", (ii) "menampilkan pertukaran penting dalam nilai-nilai manusiawi dalam rentang waktu tertentu di dalam suatu wilayah budaya di dunia, dalam pembangunan arsitektur dan teknologi, seni yang monumental, perencanaan tata kota dan rancangan lansekap", dan (vi) "secara langsung dab jelas dihubungkan dengan suatu peristiwa atau tradisi yang hidup, dengan gagasan atau dengan kepercayaan, dengan karya seni artistik dan karya sastra yang memiliki makna universal yang luar biasa".

Peristiwa kontemporer

Biksu peziarah tengah bermeditasi di pelataran puncak

Turis di Borobudur

Setelah pemugaran besar-besaran pada 1973 yang didukung oleh UNESCO, Borobudur kembali menjadi pusat keagamaan dan ziarah agama Buddha. Sekali setahun pada saat bulan purnama sekitar bulan Mei atau Juni, umat Buddha di Indonesia memperingati hari suci Waisak, hari yang memperingati kelahiran, wafat, dan terutama peristiwa pencerahan Siddhartha Gautama yang mencapai tingkat kebijaksanaan tertinggi menjadi Buddha Shakyamuni. Waisak adalah hari libur nasional di Indonesia dan upacara peringatan dipusatkan di tiga candi Buddha utama dengan ritual berjalan dari Candi Mendut menuju Candi Pawon dan prosesi berakhir di Candi Borobudur.
Pada 21 Januari 1985, sembilan stupa rusak parah akibat sembilan bom. Pada 1991 seorang penceramah muslim beraliran ekstrem yang tunanetra, Husein Ali Al Habsyie, dihukum penjara seumur hidup karena berperan sebagai otak serangkaian serangan bom pada pertengahan dekade 1980-an, termasuk serangan atas Candi Borobudur. Dua anggota kelompok ekstrem sayap kanan djatuhi hukuman 20 tahun penjara pada tahun 1986 dan seorang lainnya menerima hukuman 13 tahun penjara.

Sendratari "Mahakarya Borobudur" digelar di Borobudur

Monumen ini adalah obyek wisata tunggal yang paling banyak dikunjungi di Indonesia. Pada 1974 sebanyak 260.000 wisatawan yang 36.000 diantaranya adalah wisatawan mancanegara telah mengunjungi monumen ini. Angka ini meningkat hingga mencapai 2,5 juta pengunjung setiap tahunnya (80% adalah wisatawan domestik) pada pertengahan 1990-an, sebelum Krisis finansial Asia 1997. Akan tetapi pembangunan pariwisata dikritik tidak melibatkan masyarakat setempat sehingga beberapa konflik lokal kerap terjadi. Pada 2003, penduduk dan wirausaha skala kecil di sekitar Borobudur menggelar pertemuan dan protes dengan pembacaan puisi, menolak rencana pemerintah provinsi yang berencana membangun kompleks mal berlantai tiga yang disebut 'Java World'. Upaya masyarakat setempat untuk mendapatkan penghidupan dari sektor pariwisata Borobudur telah meningkatkan jumlah usaha kecil di sekitar Borobudur. Akan tetapi usaha mereka untuk mencari nafkah seringkali malah mengganggu kenyamanan pengunjung. Misalnya pedagang cenderamata asongan yang mengganggu dengan bersikeras menjual dagangannya; meluasnya lapak-lapak pasar cenderamata sehingga saat hendak keluar kompleks candi, pengunjung malah digiring berjalan jauh memutar memasuki labirin pasar cenderamata. Jika tidak tertata maka semua ini membuat kompleks candi Borobudur semakin semrawut.
Pada 27 Mei 2006, gempa berkekuatan 6,2 skala mengguncang pesisir selatan Jawa Tengah. Bencana alam ini menghancurkan kawasan dengan korban terbanyak di Yogyakarta, akan tetapi Borobudur tetap utuh.
Pada 28 Agustus 2006 simposium bertajuk Trail of Civilizations (jejak peradaban) digelar di Borobudur atas prakarsa Gubernur Jawa Tengah dan Kementerian Pariwisata dan Kebudayaan, juga hadir perwakilan UNESCO dan negara-negara mayoritas Buddha di Asia Tenggara, seperti Thailand, Myanmar, Laos, Vietnam, dan Kamboja. Puncak acara ini adalah pagelaran sendratari kolosal "Mahakarya Borobudur" di depan Candi Borobudur. Tarian ini diciptakan dengan berdasarkan gaya tari tradisional Jawa, musik gamelan, dan busananya, menceritakan tentang sejarah pembangunan Borobudur. Setelah simposium ini, sendratari Mahakarya Borobudur kembali dipergelarkan beberapa kali, khususnya menjelang peringatan Waisak yang biasanya turut dihadiri Presiden Republik Indonesia.

Batu peringatan pemugaran candi Borobudur dengan bantuan UNESCO

UNESCO mengidentifikasi tiga permasalahan penting dalam upaya pelestarian Borobudur: (i) vandalisme atau pengrusakan oleh pengunjung; (ii) erosi tanah di bagian tenggara situs; (iii) analisis dan pengembalian bagian-bagian yang hilang. Tanah yang gembur, beberapa kali gempa bumi, dan hujan lebat dapat menggoyahkan struktur bangunan ini. Gempa bumi adalah faktor yang paling parah, karena tidak saja batuan dapat jatuh dan pelengkung ambruk, tanah sendiri bergerak bergelombang yang dapat merusak struktur bangunan.Meningkatnya popularitas stupa menarik banyak pengunjung yang kebanyakan adalah warga Indonesia. Meskipun terdapat banyak papan peringatan untuk tidak menyentuh apapun, pengumandangan peringatan melalui pengeras suara dan adanya penjaga, vandalisme berupa pengrusakan dan pencorat-coretan relief dan arca sering terjadi, hal ini jelas merusak situs ini. Pada 2009, tidak ada sistem untuk membatasi jumlah wisatawan yang boleh berkunjung per hari, atau menerapkan tiap kunjungan harus didampingi pemandu agar pengunjung selalu dalam pengawasan.

Rehabilitasi

Borobudur sangat terdampak letusan Gunung Merapi pada Oktober adan November 2010. Debu vulkanik dari Merapi menutupi kompleks candi yang berjarak 28 kilometer (17 mil) arah barat-baratdaya dari kawah Merapi. Lapisan debu vulkanik mencapai ketebalan 2,5 sentimeter (1 in) menutupi bangunan candi kala letusan 3–5 November 2010, debu juga mematikan tanaman di sekitar, dan para ahli mengkhawatirkan debu vulkanik yang secara kimia bersifat asam dapat merusak batuan bangunan bersejarah ini. Kompleks candi ditutup 5 sampai 9 November 2010 untuk membersihkan luruhan debu.
Mencermati upaya rehabilitasi Borobudur setelah letusan Merapi 2010, UNESCO telah menyumbangkan dana sebesar 3 juta dollar AS untuk mendanai upaya rehabilitasi. Membersihkan candi dari endapan debu vulkanik akan menghabiskan waktu sedikitnya 6 bulan, disusul penghijauan kembali dan penanaman pohon di lingkungan sekitar untuk menstabilkan suhu, dan terakhir menghidupkan kembali kehidupan sosial dan ekonomi masyarakat setempat. Lebih dari 55.000 blok batu candi harus dibongkar untuk memperbaiki sistem tata air dan drainase yang tersumbat adonan debu vulkanik bercampur air hujan. Restorasi berakhir November 2011, lebih awal dari perkiraan semula.

Arsitektur

Borobudur dilihat dari pelataran sudut barat laut

Denah Borobudur membentuk Mandala, lambang alam semesta dalam kosmologi Buddha.

Model Borobudur

Lorong koridor dengan galeri dinding berukir relief

Konsep rancang bangun

Pada hakikatnya Borobudur adalah sebuah stupa yang bila dilihat dari atas membentuk pola Mandala besar. Mandala adalah pola rumit yang tersusun atas bujursangkar dan lingkaran konsentris yang melambangkan kosmos atau alam semesta yang lazim ditemukan dalam Buddha aliran Wajrayana-Mahayana. Sepuluh pelataran yang dimiliki Borobudur menggambarkan secara jelas filsafat mazhab Mahayana yang secara bersamaan menggambarkan kosmologi yaitu konsep alam semesta, sekaligus tingkatan alam pikiran dalam ajaran Buddha. Bagaikan sebuah kitab, Borobudur menggambarkan sepuluh tingkatan Bodhisattva yang harus dilalui untuk mencapai kesempurnaan menjadi Buddha. Dasar denah bujur sangkar berukuran 123 m (400 kaki) pada tiap sisinya. Bangunan ini memiliki sembilan teras, enam teras terbawah berbentuk bujur sangkar dan tiga teras teratas berbentuk lingkaran.
Pada tahun 1885, secara tidak disengaja ditemukan struktur tersembunyi di kaki Borobudur. Kaki tersembunyi ini terdapat relief yang 160 diantaranya adalah berkisah tentang Karmawibhangga. Pada relief panel ini terdapat ukiran aksara yang merupakan petunjuk bagi pengukir untuk membuat adegan dalam gambar relief. Kaki asli ini tertutup oleh penambahan struktur batu yang membentuk pelataran yang cukup luas, fungsi sesungguhnya masih menjadi misteri. Awalnya diduga bahwa penambahan kaki ini untuk mencegah kelongsoran monumen. Teori lain mengajukan bahwa penambahan kaki ini disebabkan kesalahan perancangan kaki asli, dan tidak sesuai dengan Wastu Sastra, kitab India mengenai arsitektur dan tata kota. Apapun alasan penambahan kaki ini, penambahan dan pembuatan kaki tambahan ini dilakukan dengan teliti dengan mempertimbangkan alasan keagamaan, estetik, dan teknis.
Ketiga tingkatan ranah spiritual dalam kosmologi Buddha adalah:
Kamadhatu
Bagian kaki Borobudur melambangkan Kamadhatu, yaitu dunia yang masih dikuasai oleh kama atau "nafsu rendah". Bagian ini sebagian besar tertutup oleh tumpukan batu yang diduga dibuat untuk memperkuat konstruksi candi. Pada bagian kaki asli yang tertutup struktur tambahan ini terdapat 160 panel cerita Karmawibhangga yang kini tersembunyi. Sebagian kecil struktur tambahan di sudut tenggara disisihkan sehingga orang masih dapat melihat beberapa relief pada bagian ini. Struktur batu andesit kaki tambahan yang menutupi kaki asli ini memiliki volume 13.000 meter kubik.
Rupadhatu
Empat undak teras yang membentuk lorong keliling yang pada dindingnya dihiasi galeri relief oleh para ahli dinamakan Rupadhatu. Lantainya berbentuk persegi. Rupadhatu terdiri dari empat lorong dengan 1.300 gambar relief. Panjang relief seluruhnya 2,5 km dengan 1.212 panel berukir dekoratif. Rupadhatu adalah dunia yang sudah dapat membebaskan diri dari nafsu, tetapi masih terikat oleh rupa dan bentuk. Tingkatan ini melambangkan alam antara yakni, antara alam bawah dan alam atas. Pada bagian Rupadhatu ini patung-patung Buddha terdapat pada ceruk atau relung dinding di atas pagar langkan atau selasar. Aslinya terdapat 432 arca Buddha di dalam relung-relung terbuka di sepanjang sisi luar di pagar langkan. Pada pagar langkan terdapat sedikit perbedaan rancangan yang melambangkan peralihan dari ranah Kamadhatu menuju ranah Rupadhatu; pagar langkan paling rendah dimahkotai ratna, sedangkan empat tingkat pagar langkan diatasnya dimahkotai stupika (stupa kecil). Bagian teras-teras bujursangkar ini kaya akan hiasan dan ukiran relief.
Arupadhatu
Berbeda dengan lorong-lorong Rupadhatu yang kaya akan relief, mulai lantai kelima hingga ketujuh dindingnya tidak berelief. Tingkatan ini dinamakan Arupadhatu (yang berarti tidak berupa atau tidak berwujud). Denah lantai berbentuk lingkaran. Tingkatan ini melambangkan alam atas, di mana manusia sudah bebas dari segala keinginan dan ikatan bentuk dan rupa, namun belum mencapai nirwana. Pada pelataran lingkaran terdapat 72 dua stupa kecil berterawang yang tersusun dalam tiga barisan yang mengelilingi satu stupa besar sebagai stupa induk. Stupa kecil berbentuk lonceng ini disusun dalam 3 teras lingkaran yang masing-masing berjumlah 32, 24, dan 16 (total 72 stupa). Dua teras terbawah stupanya lebih besar dengan lubang berbentuk belah ketupat, satu teras teratas stupanya sedikit lebih kecil dan lubangnya berbentuk kotak bujur sangkar. Patung-patung Buddha ditempatkan di dalam stupa yang ditutup berlubang-lubang seperti dalam kurungan. Dari luar patung-patung itu masih tampak samar-samar. Rancang bangun ini dengan cerdas menjelaskan konsep peralihan menuju keadaan tanpa wujud, yakni arca Buddha itu ada tetapi tak terlihat.
Tingkatan tertinggi yang menggambarkan ketiadaan wujud yang sempurna dilambangkan berupa stupa yang terbesar dan tertinggi. Stupa digambarkan polos tanpa lubang-lubang. Di dalam stupa terbesar ini pernah ditemukan patung Buddha yang tidak sempurna atau disebut juga Buddha yang tidak rampung, yang disalahsangkakan sebagai patung 'Adibuddha', padahal melalui penelitian lebih lanjut tidak pernah ada patung di dalam stupa utama, patung yang tidak selesai itu merupakan kesalahan pemahatnya pada zaman dahulu. Menurut kepercayaan patung yang salah dalam proses pembuatannya memang tidak boleh dirusak. Penggalian arkeologi yang dilakukan di halaman candi ini menemukan banyak patung seperti ini. Stupa utama yang dibiarkan kosong diduga bermakna kebijaksanaan tertinggi, yaitu kasunyatan, kesunyian dan ketiadaan sempurna dimana jiwa manusia sudah tidak terikat hasrat, keinginan, dan bentuk serta terbebas dari lingkaran samsara.

Struktur bangunan

Arca singa penjaga gerbang

Ukiran raksasa sebagai kepala pancuran drainase

Penampang candi Borobudur terdapat rasio perbandingan 4:6:9 antara bagian kaki, tubuh, dan kepala

Tangga Borobudur mendaki melalui serangkaian gapura berukir Kala-Makara

Sekitar 55.000 meter kubik batu andesit diangkut dari tambang batu dan tempat penatahan untuk membangun monumen ini.Batu ini dipotong dalam ukuran tertentu, diangkut menuju situs dan disatukan tanpa menggunakan semen. Struktur Borobudur tidak memakai semen sama sekali, melainkan sistem interlock (saling kunci) yaitu seperti balok-balok lego yang bisa menempel tanpa perekat. Batu-batu ini disatukan dengan tonjolan dan lubang yang tepat dan muat satu sama lain, serta bentuk "ekor merpati" yang mengunci dua blok batu. Relief dibuat di lokasi setelah struktur bangunan dan dinding rampung.
Monumen ini dilengkapi dengan sistem drainase yang cukup baik untuk wilayah dengan curah hujan yang tinggi. Untuk mencegah genangan dan kebanjiran, 100 pancuran dipasang disetiap sudut, masing-masing dengan rancangan yang unik berbentuk kepala raksasa kala atau makara.
Borobudur amat berbeda dengan rancangan candi lainnya, candi ini tidak dibangun di atas permukaan datar, tetapi di atas bukit alami. Akan tetapi teknik pembangunannya serupa dengan candi-candi lain di Jawa. Borobudur tidak memiliki ruang-ruang pemujaan seperti candi-candi lain. Yang ada ialah lorong-lorong panjang yang merupakan jalan sempit. Lorong-lorong dibatasi dinding mengelilingi candi tingkat demi tingkat. Secara umum rancang bangun Borobudur mirip dengan piramida berundak. Di lorong-lorong inilah umat Buddha diperkirakan melakukan upacara berjalan kaki mengelilingi candi ke arah kanan. Borobudur mungkin pada awalnya berfungsi lebih sebagai sebuah stupa, daripada kuil atau candi. Stupa memang dimaksudkan sebagai bangunan suci untuk memuliakan Buddha. Terkadang stupa dibangun sebagai lambang penghormatan dan pemuliaan kepada Buddha. Sementara kuil atau candi lebih berfungsi sebagai rumah ibadah. Rancangannya yang rumit dari monumen ini menunjukkan bahwa bangunan ini memang sebuah bangunan tempat peribadatan. Bentuk bangunan tanpa ruangan dan struktur teras bertingkat-tingkat ini diduga merupakan perkembangan dari bentuk punden berundak, yang merupakan bentuk arsitektur asli dari masa prasejarah Indonesia.
Menurut legenda setempat arsitek perancang Borobudur bernama Gunadharma, sedikit yang diketahui tentang arsitek misterius ini. Namanya lebih berdasarkan dongeng dan legenda Jawa dan bukan berdasarkan prasasti bersejarah. Legenda Gunadharma terkait dengan cerita rakyat mengenai perbukitan Menoreh yang bentuknya menyerupai tubuh orang berbaring. Dongeng lokal ini menceritakan bahwa tubuh Gunadharma yang berbaring berubah menjadi jajaran perbukitan Menoreh, tentu saja legenda ini hanya fiksi dan dongeng belaka.
Perancangan Borobudur menggunakan satuan ukur tala, yaitu panjang wajah manusia antara ujung garis rambut di dahi hingga ujung dagu, atau jarak jengkal antara ujung ibu jari dengan ujung jari kelingking ketika telapak tangan dikembangkan sepenuhnya. Tentu saja satuan ini bersifat relatif dan sedikit berbeda antar individu, akan tetapi satuan ini tetap pada monumen ini. Penelitian pada 1977 mengungkapkan rasio perbandingan 4:6:9 yang ditemukan di monumen ini. Arsitek menggunakan formula ini untuk menentukan dimensi yang tepat dari suatu fraktal geometri perulangan swa-serupa dalam rancangan Borobudur.^[52][53] Rasio matematis ini juga ditemukan dalam rancang bangun Candi Mendut dan Pawon di dekatnya. Arkeolog yakin bahwa rasio 4:6:9 dan satuan tala memiliki fungsi dan makna penanggalan, astronomi, dan kosmologi. Hal yang sama juga berlaku di candi Angkor Wat di Kamboja.
Struktur bangunan dapat dibagi atas tiga bagian: dasar (kaki), tubuh, dan puncak. Dasar berukuran 123×123 m (403.5 × 403.5 ft) dengan tinggi 4 m (13 kaki). Tubuh candi terdiri atas lima batur teras bujur sangkar yang makin mengecil di atasnya. Teras pertama mundur 7 m (23 kaki) dari ujung dasar teras. Tiap teras berikutnya mundur 2 m (6.6 kaki), menyisakan lorong sempit pada tiap tingkatan. Bagian atas terdiri atas tiga teras melingkar, tiap tingkatan menopang barisan stupa berterawang yang disusun secara konsentris. Terdapat stupa utama yang terbesar di tengah; dengan pucuk mencapai ketinggian 35 m (110 kaki) dari permukaan tanah. Tinggi asli Borobudur termasuk chattra (payung susun tiga) yang kini dilepas adalah 42 m (140 kaki) . Tangga terletak pada bagian tengah keempat sisi mata angin yang membawa pengunjung menuju bagian puncak monumen melalui serangkaian gerbang pelengkung yang dijaga 32 arca singa. Gawang pintu gerbang dihiasi ukiran Kala pada puncak tengah lowong pintu dan ukiran makara yang menonjol di kedua sisinya. Motif Kala-Makara lazim ditemui dalam arsitektur pintu candi di Jawa. Pintu utama terletak di sisi timur, sekaligus titik awal untuk membaca kisah relief. Tangga ini lurus terus tersambung dengan tangga pada lereng bukit yang menghubungkan candi dengan dataran di sekitarnya.

Relief

Seni pahat Borobudur memiliki kehalusan gaya dan citarasa estetik yang anggun

Letak relief kisah-kisah naskah suci Buddha di dinding Borobudur

Pada dinding candi di setiap tingkatan — kecuali pada teras-teras Arupadhatu — dipahatkan panel-panel bas-relief yang dibuat dengan sangat teliti dan halus. Relief dan pola hias Borobudur bergaya naturalis dengan proporsi yang ideal dan selera estetik yang halus. Relief-relief ini sangat indah, bahkan dianggap sebagai yang paling elegan dan anggun dalam kesenian dunia Buddha.Relief Borobudur juga menerapkan disiplin senirupa India, seperti berbagai sikap tubuh yang memiliki makna atau nilai estetis tertentu. Relief-relief berwujud manusia mulia seperti pertapa, raja dan wanita bangsawan, bidadari atapun makhluk yang mencapai derajat kesucian laksana dewa, seperti tara dan boddhisatwa, seringkali digambarkan dengan posisi tubuh tribhanga. Posisi tubuh ini disebut "lekuk tiga" yaitu melekuk atau sedikit condong pada bagian leher, pinggul, dan pergelangan kaki dengan beban tubuh hanya bertumpu pada satu kaki, sementara kaki yang lainnya dilekuk beristirahat. Posisi tubuh yang luwes ini menyiratkan keanggunan, misalnya figur bidadari Surasundari yang berdiri dengan sikap tubuh tribhanga sambil menggenggam teratai bertangkai panjang.
Relief Borobudur menampilkan banyak gambar; seperti sosok manusia baik bangsawan, rakyat jelata, atau pertapa, aneka tumbuhan dan hewan, serta menampilkan bentuk bangunan vernakular tradisional Nusantara. Borobudur tak ubahnya bagaikan kitab yang merekam berbagai aspek kehidupan masyarakat Jawa kuno. Banyak arkeolog meneliti kehidupan masa lampau di Jawa kuno dan Nusantara abad ke-8 dan ke-9 dengan mencermati dan merujuk ukiran relief Borobudur. Bentuk rumah panggung, lumbung, istana dan candi, bentuk perhiasan, busana serta persenjataan, aneka tumbuhan dan margasatwa, serta alat transportasi, dicermati oleh para peneliti. Salah satunya adalah relief terkenal yang menggambarkan Kapal Borobudur. Kapal kayu bercadik khas Nusantara ini menunjukkan kebudayaan bahari purbakala. Replika bahtera yang dibuat berdasarkan relief Borobudur tersimpan di Museum Samudra Raksa yang terletak di sebelah utara Borobudur.
Relief-relief ini dibaca sesuai arah jarum jam atau disebut mapradaksina dalam bahasa Jawa Kuna yang berasal dari bahasa Sansekerta daksina yang artinya ialah timur. Relief-relief ini bermacam-macam isi ceritanya, antara lain relief-relief cerita jātaka. Pembacaan cerita-cerita relief ini senantiasa dimulai, dan berakhir pada pintu gerbang sisi timur di setiap tingkatnya, mulainya di sebelah kiri dan berakhir di sebelah kanan pintu gerbang itu. Maka secara nyata bahwa sebelah timur adalah tangga naik yang sesungguhnya (utama) dan menuju puncak candi, artinya bahwa candi menghadap ke timur meskipun sisi-sisi lainnya serupa benar.
Adapun susunan dan pembagian relief cerita pada dinding dan pagar langkan candi adalah sebagai berikut.

Bagan Relief
Tingkat	Posisi/letak	Cerita Relief	Jumlah Pigura
Kaki candi asli	-----	Karmawibhangga	160
Tingkat I	dinding	a. Lalitawistara	120
		b. jataka/awadana	120
	langkan	a. jataka/awadana	372
		b. jataka/awadana	128
Tingkat II	dinding	Gandawyuha	128
	langkan	jataka/awadana	100
Tingkat III	dinding	Gandawyuha	88
	langkan	Gandawyuha	88
Tingkat IV	dinding	Gandawyuha	84
	langkan	Gandawyuha	72
Jumlah			1460

Secara runtutan, maka cerita pada relief candi secara singkat bermakna sebagai berikut :
Karmawibhangga

Salah satu ukiran Karmawibhangga di dinding candi Borobudur (lantai 0 sudut tenggara)

Sesuai dengan makna simbolis pada kaki candi, relief yang menghiasi dinding batur yang terselubung tersebut menggambarkan hukum karma. Karmawibhangga adalah naskah yang menggambarkan ajaran mengenai karma, yakni sebab-akibat perbuatan baik dan jahat. Deretan relief tersebut bukan merupakan cerita seri (serial), tetapi pada setiap pigura menggambarkan suatu cerita yang mempunyai hubungan sebab akibat. Relief tersebut tidak saja memberi gambaran terhadap perbuatan tercela manusia disertai dengan hukuman yang akan diperolehnya, tetapi juga perbuatan baik manusia dan pahala. Secara keseluruhan merupakan penggambaran kehidupan manusia dalam lingkaran lahir - hidup - mati (samsara) yang tidak pernah berakhir, dan oleh agama Buddha rantai tersebutlah yang akan diakhiri untuk menuju kesempurnaan. Kini hanya bagian tenggara yang terbuka dan dapat dilihat oleh pengujung. Foto lengkap relief Karmawibhangga dapat disaksikan di Museum Karmawibhangga di sisi utara candi Borobudur.
Lalitawistara

Pangeran Siddhartha Gautama mencukur rambutnya dan menjadi pertapa

Merupakan penggambaran riwayat Sang Buddha dalam deretan relief-relief (tetapi bukan merupakan riwayat yang lengkap) yang dimulai dari turunnya Sang Buddha dari surga Tushita, dan berakhir dengan wejangan pertama di Taman Rusa dekat kota Banaras. Relief ini berderet dari tangga pada sisi sebelah selatan, setelah melampui deretan relief sebanyak 27 pigura yang dimulai dari tangga sisi timur. Ke-27 pigura tersebut menggambarkan kesibukan, baik di sorga maupun di dunia, sebagai persiapan untuk menyambut hadirnya penjelmaan terakhir Sang Bodhisattwa selaku calon Buddha. Relief tersebut menggambarkan lahirnya Sang Buddha di arcapada ini sebagai Pangeran Siddhartha, putra Raja Suddhodana dan Permaisuri Maya dari Negeri Kapilawastu. Relief tersebut berjumlah 120 pigura, yang berakhir dengan wejangan pertama, yang secara simbolis dinyatakan sebagai Pemutaran Roda Dharma, ajaran Sang Buddha di sebut dharma yang juga berarti "hukum", sedangkan dharma dilambangkan sebagai roda.
Jataka dan Awadana
Jataka adalah berbagai cerita tentang Sang Buddha sebelum dilahirkan sebagai Pangeran Siddharta. Isinya merupakan pokok penonjolan perbuatan-perbuatan baik, seperti sikap rela berkorban dan suka menolong yang membedakan Sang Bodhisattwa dari makhluk lain manapun juga. Beberapa kisah Jataka menampilkan kisah fabel yakni kisah yang melibatkan tokoh satwa yang bersikap dan berpikir seperti manusia. Sesungguhnya, pengumpulan jasa atau perbuatan baik merupakan tahapan persiapan dalam usaha menuju ketingkat ke-Buddha-an.
Sedangkan Awadana, pada dasarnya hampir sama dengan Jataka akan tetapi pelakunya bukan Sang Bodhisattwa, melainkan orang lain dan ceritanya dihimpun dalam kitab Diwyawadana yang berarti perbuatan mulia kedewaan, dan kitab Awadanasataka atau seratus cerita Awadana. Pada relief candi Borobudur Jataka dan Awadana, diperlakukan sama, artinya keduanya terdapat dalam deretan yang sama tanpa dibedakan. Himpunan yang paling terkenal dari kehidupan Sang Bodhisattwa adalah Jatakamala atau untaian cerita Jataka, karya penyair Aryasura yang hidup dalam abad ke-4 Masehi.
Gandawyuha
Merupakan deretan relief menghiasi dinding lorong ke-2,adalah cerita Sudhana yang berkelana tanpa mengenal lelah dalam usahanya mencari Pengetahuan Tertinggi tentang Kebenaran Sejati oleh Sudhana. Penggambarannya dalam 460 pigura didasarkan pada kitab suci Buddha Mahayana yang berjudul Gandawyuha, dan untuk bagian penutupnya berdasarkan cerita kitab lainnya yaitu Bhadracari.

Arca Buddha

Sebuah arca Buddha di dalam stupa berterawang

Selain wujud buddha dalam kosmologi buddhis yang terukir di dinding, di Borobudur terdapat banyak arca buddha duduk bersila dalam posisi teratai serta menampilkan mudra atau sikap tangan simbolis tertentu. Patung buddha dengan tinggi 1,5 meter ini dipahat dari bahan batu andesit.
Patung buddha dalam relung-relung di tingkat Rupadhatu, diatur berdasarkan barisan di sisi luar pagar langkan. Jumlahnya semakin berkurang pada sisi atasnya. Barisan pagar langkan pertama terdiri dari 104 relung, baris kedua 104 relung, baris ketiga 88 relung, baris keempat 72 relung, dan baris kelima 64 relung. Jumlah total terdapat 432 arca Buddha di tingkat Rupadhatu. Pada bagian Arupadhatu (tiga pelataran melingkar), arca Buddha diletakkan di dalam stupa-stupa berterawang (berlubang). Pada pelataran melingkar pertama terdapat 32 stupa, pelataran kedua 24 stupa, dan pelataran ketiga terdapat 16 stupa, semuanya total 72 stupa.Dari jumlah asli sebanyak 504 arca Buddha, lebih dari 300 telah rusak (kebanyakan tanpa kepala) dan 43 hilang (sejak penemuan monumen ini, kepala buddha sering dicuri sebagai barang koleksi, kebanyakan oleh museum luar negeri).
Secara sepintas semua arca buddha ini terlihat serupa, akan tetapi terdapat perbedaan halus diantaranya, yaitu pada mudra atau posisi sikap tangan. Terdapat lima golongan mudra: Utara, Timur, Selatan, Barat, dan Tengah, kesemuanya berdasarkan lima arah utama kompas menurut ajaran Mahayana. Keempat pagar langkan memiliki empat mudra: Utara, Timur, Selatan, dan Barat, dimana masing-masing arca buddha yang menghadap arah tersebut menampilkan mudra yang khas. Arca Buddha pada pagar langkan kelima dan arca buddha di dalam 72 stupa berterawang di pelataran atas menampilkan mudra: Tengah atau Pusat. Masing-masing mudra melambangkan lima Dhyani Buddha; masing-masing dengan makna simbolisnya tersendiri.
Mengikuti urutan Pradakshina yaitu gerakan mengelilingi searah jarum jam dimulai dari sisi Timur, maka mudra arca-arca buddha di Borobudur adalah:

Arca	Mudra	Melambangkan	Dhyani Buddha	Arah Mata Angin	Lokasi Arca
	Bhumisparsa mudra	Memanggil bumi sebagai saksi	Aksobhya	Timur	Relung di pagar langkan 4 baris pertama Rupadhatu sisi timur
	Wara mudra	Kedermawanan	Ratnasambhawa	Selatan	Relung di pagar langkan 4 baris pertama Rupadhatu sisi selatan
	Dhyana mudra	Semadi atau meditasi	Amitabha	Barat	Relung di pagar langkan 4 baris pertama Rupadhatu sisi barat
	Abhaya mudra	Ketidakgentaran	Amoghasiddhi	Utara	Relung di pagar langkan 4 baris pertama Rupadhatu sisi utara
	Witarka mudra	Akal budi	Wairocana	Tengah	Relung di pagar langkan baris kelima (teratas) Rupadhatu semua sisi
	Dharmachakra mudra	Pemutaran roda dharma	Wairocana	Tengah	Di dalam 72 stupa di 3 teras melingkar Arupadhatu