Die fraktionierte Destillation ist eine der Grundoperationen der chemischen Technik. Fraktionierkolonnen werden häufig in der chemischen Prozessindustrie eingesetzt, wo große Mengen von Flüssigkeiten destilliert werden müssen. Solche Industrien sind die Erdölverarbeitung, die petrochemische Produktion, die Erdgasverarbeitung, die Verarbeitung von Kohlenteer, das Brauereiwesen, die Abtrennung von verflüssigter Luft, die Herstellung von Kohlenwasserstoff-Lösungsmitteln und ähnliche Industrien, aber die größte Anwendung findet sie in Erdölraffinerien. In solchen Raffinerien ist das Rohöl ein komplexes Mehrkomponentengemisch, das getrennt werden muss, und es werden keine reinen chemischen Verbindungen erwartet, sondern nur Gruppen von Verbindungen innerhalb eines relativ kleinen Siedepunktbereichs, die auch als Fraktionen bezeichnet werden. Daher kommt auch der Name fraktionierte Destillation oder Fraktionierung. Eine weitere Auftrennung der Komponenten in diesen Fraktionen lohnt sich aufgrund der Produktanforderungen und der Wirtschaftlichkeit oft nicht.
Die Destillation ist eines der häufigsten und energieintensivsten Trennverfahren. Die Effektivität der Trennung hängt von der Höhe und dem Durchmesser der Kolonne, dem Verhältnis zwischen Höhe und Durchmesser der Kolonne und dem Material der Destillationskolonne selbst ab. In einem typischen Chemiewerk entfallen etwa 40 % des Gesamtenergieverbrauchs auf die Destillation. Die industrielle Destillation erfolgt in der Regel in großen, vertikalen zylindrischen Kolonnen (wie in Abbildung 2 dargestellt), die als „Destillationstürme“ oder „Destillationskolonnen“ bezeichnet werden und einen Durchmesser von etwa 65 Zentimetern bis 6 Metern und eine Höhe von etwa 6 Metern bis 60 Metern oder mehr haben.
Industrielle Destillationstürme werden in der Regel in einem kontinuierlichen stationären Zustand betrieben. Sofern sie nicht durch Änderungen der Beschickung, der Wärme, der Umgebungstemperatur oder der Kondensation gestört werden, entspricht die Menge der zugegebenen Beschickung normalerweise der Menge des entnommenen Produkts.
Die Wärmemenge, die der Kolonne aus dem Verdampfer und mit der Beschickung zugeführt wird, muss der Wärmemenge entsprechen, die durch den Kopfkondensator und mit den Produkten abgeführt wird. Die in eine Destillationskolonne eintretende Wärme ist ein entscheidender Betriebsparameter. Wird der Kolonne zu viel oder zu wenig Wärme zugeführt, kann dies zu Schaumbildung, Nässen, Mitreißen oder Überflutung führen.
Abbildung 3 zeigt eine industrielle Fraktionierkolonne, die einen Speisestrom in eine Destillatfraktion und eine Bodenfraktion trennt. Viele industrielle Fraktionierkolonnen verfügen jedoch über Auslässe, die in bestimmten Abständen entlang der Kolonne angeordnet sind, so dass mehrere Produkte mit unterschiedlichen Siedebereichen aus einer Kolonne abgezogen werden können, die einen Mehrkomponenteneinsatzstrom destilliert. Die „leichtesten“ Produkte mit den niedrigsten Siedepunkten treten am Kopf der Kolonne aus und die „schwersten“ Produkte mit den höchsten Siedepunkten treten am Boden aus.
Industrielle Fraktionierkolonnen verwenden externen Rückfluss, um eine bessere Trennung der Produkte zu erreichen. Der Rückfluss bezieht sich auf den Teil des kondensierten flüssigen Kopfprodukts, der in den oberen Teil der Fraktionierkolonne zurückfließt, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Innerhalb der Kolonne sorgt die nach unten strömende Rückflussflüssigkeit für die Kühlung und Kondensation der nach oben strömenden Dämpfe und erhöht so die Effizienz des Destillationsturms. Je mehr Rückfluss und/oder je mehr Böden vorhanden sind, desto besser trennt der Turm die niedriger siedenden Stoffe von den höher siedenden Stoffen.
Die Konstruktion und der Betrieb einer Fraktionierkolonne hängen von der Zusammensetzung des Einsatzmaterials und der Zusammensetzung der gewünschten Produkte ab. Bei einem einfachen, binären Einsatzmaterial können analytische Methoden wie die McCabe-Thiele-Methode oder die Fenske-Gleichung verwendet werden. Bei einer Mehrkomponentenbeschickung werden Simulationsmodelle sowohl für die Auslegung als auch für den Betrieb und die Konstruktion verwendet.
Blasenhauben-„Böden“ oder „Platten“ sind eine der Arten von physikalischen Vorrichtungen, die verwendet werden, um einen guten Kontakt zwischen dem aufwärts strömenden Dampf und der abwärts strömenden Flüssigkeit in einer industriellen Fraktionierkolonne herzustellen. Solche Böden sind in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt.
Der Wirkungsgrad eines Bodens oder einer Platte ist in der Regel geringer als der einer theoretischen Gleichgewichtsstufe mit 100 % Wirkungsgrad. Daher benötigt eine Fraktionierkolonne fast immer mehr tatsächliche, physische Böden als die erforderliche Anzahl von theoretischen Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsstufen.
In der Industrie wird in der Kolonne manchmal ein Packungsmaterial anstelle von Böden verwendet, insbesondere wenn ein geringer Druckabfall in der Kolonne erforderlich ist, wie z. B. beim Betrieb unter Vakuum. Bei diesem Packungsmaterial kann es sich entweder um zufällige Schüttungen (2,5-7,6 cm breit) wie Raschig-Ringe oder strukturierte Bleche handeln. Flüssigkeiten neigen dazu, die Oberfläche der Packung zu benetzen, und die Dämpfe strömen über diese benetzte Oberfläche, wo der Stoffaustausch stattfindet. Unterschiedlich geformte Packungen haben unterschiedliche Oberflächen und Leerräume zwischen den Packungen. Beide Faktoren beeinflussen die Leistung der Packung.