Fraktioneret destillation er en af enhedsoperationerne inden for kemiteknik. Fraktioneringssøjler anvendes i vid udstrækning i den kemiske procesindustri, hvor der skal destilleres store mængder væsker. Sådanne industrier er olieforarbejdning, petrokemisk produktion, naturgasbehandling, behandling af stenkulstjære, brygning, separation af flydende luft, produktion af kulbrinteopløsningsmidler og lignende industrier, men den finder sin mest udbredte anvendelse i olieraffinaderier. I sådanne raffinaderier er råolieudgangsmaterialet en kompleks blanding af flere komponenter, som skal adskilles, og der forventes ikke et udbytte af rene kemiske forbindelser, men kun af grupper af forbindelser inden for et relativt lille kogepunktsinterval, også kaldet fraktioner. Det er oprindelsen til navnet fraktioneret destillation eller fraktionering. Det kan ofte ikke betale sig at adskille komponenterne i disse fraktioner yderligere ud fra produktkrav og økonomi.
Destillation er en af de mest almindelige og energikrævende separationsprocesser. Effektiviteten af separationen afhænger af kolonnens højde og diameter, forholdet mellem kolonnens højde og diameter og det materiale, som selve destillationskolonnen består af, samt af det materiale, som destillationskolonnen består af. I et typisk kemisk anlæg tegner den sig for ca. 40 % af det samlede energiforbrug. Industriel destillation udføres typisk i store, lodrette, cylindriske kolonner (som vist i figur 2), der er kendt som “destillationstårne” eller “destillationskolonner” med en diameter på mellem ca. 65 cm og 6 meter og en højde på mellem ca. 6 meter og 60 meter eller mere.
Industrielle destillationstårne drives normalt ved en kontinuerlig stationær tilstand. Medmindre det forstyrres af ændringer i foder, varme, omgivelsestemperatur eller kondensering, er den mængde foder, der tilsættes, normalt lig med den mængde produkt, der fjernes.
Mængden af varme, der kommer ind i kolonnen fra reboileren og med foderet, skal være lig med den mængde varme, der fjernes af overheadkondensatoren og med produkterne. Varmetilførslen til en destillationskolonne er en afgørende driftsparameter, idet tilførsel af for meget eller for lidt varme til kolonnen kan føre til skumdannelse, væskning, medrivning eller oversvømmelse.
Figur 3 viser en industriel fraktioneringskolonne, der adskiller en tilførselsstrøm i en destillatfraktion og en bundfraktion. Mange industrielle fraktioneringskolonner har imidlertid udløb med mellemrum op ad kolonnen, således at flere produkter med forskellige kogeintervaller kan udtages fra en kolonne, der destillerer en flerkomponenttilførselsstrøm. De “letteste” produkter med de laveste kogepunkter kommer ud fra toppen af kolonnerne, og de “tungeste” produkter med de højeste kogepunkter kommer ud fra bunden.
Industrielle fraktioneringskolonner anvender ekstern reflux for at opnå en bedre adskillelse af produkterne. Reflux henviser til den del af den kondenserede overheadvæske, der vender tilbage til den øverste del af fraktioneringskolonnen, som vist i figur 3.
Inden for kolonnen sørger den nedstrømmende refluxvæske for køling og kondensering af de opstrømmende dampe og øger derved destillationstårnets effektivitet. Jo mere refluks og/eller flere bakker, jo bedre er tårnets adskillelse af lavere kogende materialer fra højere kogende materialer.
Designet og driften af en fraktioneringskolonne afhænger af sammensætningen af tilført materiale og af sammensætningen af de ønskede produkter. I tilfælde af en simpel, binær komponenttilførsel kan der anvendes analytiske metoder som f.eks. McCabe-Thiele-metoden eller Fenske-ligningen. For en flerkomponenttilførsel anvendes simuleringsmodeller både til design, drift og konstruktion.
Bobble-cap “bakker” eller “plader” er en af de typer fysiske anordninger, som anvendes til at sikre god kontakt mellem den opstrømmende damp og den nedstrømmende væske inde i en industriel fraktioneringskolonne. Sådanne bakker er vist i figur 4 og 5.
Effektiviteten af en bakke eller plade er typisk lavere end effektiviteten af et teoretisk 100 % effektivt ligevægtsstadium. Derfor har en fraktioneringskolonne næsten altid brug for flere faktiske, fysiske plader end det nødvendige antal teoretiske damp-væske-ligevægtstrin.
I industrielle anvendelser anvendes der undertiden et pakningsmateriale i kolonnen i stedet for bakker, især når der kræves et lavt trykfald på tværs af kolonnen, som f.eks. ved drift under vakuum. Dette pakningsmateriale kan enten være tilfældigt dumpet pakning (1-3 tommer eller 2,5-7,6 cm bred) som f.eks. Raschig-ringe eller struktureret metalplade. Væsker har en tendens til at gøre overfladen af pakningen våd, og dampene passerer over denne våde overflade, hvor masseoverførsel finder sted. Forskelligt formede pakninger har forskellige overfladearealer og hulrum mellem pakningerne. Begge disse faktorer påvirker pakningens ydeevne.