Frakční destilace je jednou z jednotkových operací chemického inženýrství. Frakcionační kolony se široce používají v chemickém průmyslu, kde je třeba destilovat velké množství kapalin. Takovými odvětvími jsou zpracování ropy, petrochemická výroba, zpracování zemního plynu, zpracování uhelného dehtu, pivovarnictví, separace zkapalněného vzduchu a výroba uhlovodíkových rozpouštědel a podobná odvětví, ale nejširší uplatnění nachází v ropných rafineriích. V takových rafineriích je surová ropa složitou vícesložkovou směsí, kterou je třeba oddělit, a neočekávají se výtěžky čistých chemických sloučenin, ale pouze skupin sloučenin v relativně malém rozmezí bodů varu, nazývaných také frakce. Odtud pochází název frakční destilace nebo frakcionace. Na základě požadavků na produkt a ekonomiky se často nevyplatí složky v těchto frakcích dále dělit.
Destilace je jedním z nejběžnějších a energeticky nejnáročnějších separačních procesů. Účinnost separace závisí na výšce a průměru kolony, poměru výšky a průměru kolony a na materiálu, který tvoří samotnou destilační kolonu. V typickém chemickém závodě představuje přibližně 40 % celkové spotřeby energie. Průmyslová destilace se obvykle provádí ve velkých vertikálních válcových kolonách (jak je znázorněno na obrázku 2) známých jako „destilační věže“ nebo „destilační kolony“ o průměru od přibližně 65 cm do 6 m a výšce od přibližně 6 m do 60 m nebo více.
Průmyslové destilační věže jsou obvykle provozovány v kontinuálním ustáleném stavu. Pokud není narušena změnami v přívodu, teple, okolní teplotě nebo kondenzací, množství přidávaného přívodu se obvykle rovná množství odebíraného produktu.
Množství tepla vstupujícího do kolony z převařovacího kotle a s přívodem se musí rovnat množství tepla odebraného horním kondenzátorem a s produkty. Teplo vstupující do destilační kolony je rozhodujícím provozním parametrem, přídavek nadbytečného nebo nedostatečného tepla do kolony může vést k pěnění, úkapům, entrainmentu nebo zaplavení.
Obrázek 3 znázorňuje průmyslovou frakcionační kolonu, která rozděluje vstupní proud na jednu frakci destilátu a jednu frakci dna. Mnohé průmyslové frakcionační kolony však mají výstupy v určitých intervalech směrem nahoru, takže z kolony destilující vícesložkový vstupní proud lze odebírat více produktů s různým rozsahem varu. „Nejlehčí“ produkty s nejnižšími body varu vystupují z horní části kolony a „nejtěžší“ produkty s nejvyššími body varu vystupují ze spodní části kolony.
Průmyslové frakcionační kolony používají k dosažení lepší separace produktů vnější reflux. Refluxem se rozumí část zkondenzovaného vrchního kapalného produktu, která se vrací do horní části frakcionační kolony, jak je znázorněno na obrázku 3.
Uvnitř kolony zajišťuje stékající refluxní kapalina chlazení a kondenzaci stoupajících par, čímž se zvyšuje účinnost destilační kolony. Čím více refluxu a/nebo čím více zásobníků je k dispozici, tím lépe věž odděluje níže vroucí materiály od výše vroucích.
Konstrukce a provoz frakcionační kolony závisí na složení vstupní kapaliny a také na složení požadovaných produktů. Vzhledem k jednoduchému dvousložkovému přívodu lze použít analytické metody, jako je McCabe-Thieleho metoda nebo Fenskeho rovnice. V případě vícesložkového přívodu se používají simulační modely jak pro návrh, tak pro provoz a konstrukci.
„Zásobníky“ nebo „desky“ s bublinkovým uzávěrem jsou jedním z typů fyzikálních zařízení, která se používají k zajištění dobrého kontaktu mezi stoupajícími parami a klesající kapalinou uvnitř průmyslové frakcionační kolony. Takové zásobníky jsou znázorněny na obrázcích 4 a 5.
Účinnost zásobníku nebo desky je obvykle nižší než účinnost teoretického rovnovážného stupně se 100% účinností. Proto frakcionační kolona téměř vždy potřebuje více skutečných, fyzických desek, než je požadovaný počet teoretických rovnovážných stupňů páry a kapaliny.
V průmyslovém použití se někdy v koloně místo vaniček používá těsnicí materiál, zejména pokud jsou požadovány nízké tlakové ztráty napříč kolonou, jako při práci ve vakuu. Tímto těsnicím materiálem může být buď náhodný výsypný těsnicí materiál (1-3 palce nebo 2,5-7,6 cm široký), jako jsou Raschigovy kroužky, nebo strukturovaný plech. Kapaliny mají tendenci smáčet povrch těsnění a páry procházejí přes tento smáčený povrch, kde dochází k přenosu hmoty. Různě tvarované ucpávky mají různý povrch a prázdný prostor mezi ucpávkami. Oba tyto faktory ovlivňují výkonnost ucpávky.