La destilación fraccionada es una de las operaciones unitarias de la ingeniería química. Las columnas de fraccionamiento se utilizan ampliamente en las industrias de procesos químicos en las que hay que destilar grandes cantidades de líquidos. Tales industrias son el procesamiento de petróleo, la producción petroquímica, el procesamiento de gas natural, el procesamiento de alquitrán de hulla, la elaboración de cerveza, la separación de aire licuado y la producción de disolventes de hidrocarburos e industrias similares, pero encuentra su más amplia aplicación en las refinerías de petróleo. En estas refinerías, la materia prima del petróleo crudo es una mezcla compleja y multicomponente que debe separarse, y no se esperan rendimientos de compuestos químicos puros, sino grupos de compuestos dentro de un rango relativamente pequeño de puntos de ebullición, también llamados fracciones. Este es el origen del nombre de destilación fraccionada o fraccionamiento. A menudo no merece la pena separar más los componentes de estas fracciones en función de los requisitos del producto y de la economía.
La destilación es uno de los procesos de separación más comunes y que más energía consume. La eficacia de la separación depende de la altura y el diámetro de la columna, de la relación entre la altura y el diámetro de la columna y del material que compone la propia columna de destilación. En una planta química típica, representa alrededor del 40% del consumo total de energía. La destilación industrial se realiza típicamente en grandes columnas cilíndricas verticales (como se muestra en la Figura 2) conocidas como «torres de destilación» o «columnas de destilación» con diámetros que van desde unos 65 centímetros a 6 metros y alturas que van desde unos 6 metros a 60 metros o más.
Las torres de destilación industriales suelen funcionar en un estado estable continuo. A menos que se altere por cambios en la alimentación, el calor, la temperatura ambiente o la condensación, la cantidad de alimentación que se añade normalmente es igual a la cantidad de producto que se elimina.
La cantidad de calor que entra en la columna desde el rehervidor y con la alimentación debe ser igual a la cantidad de calor eliminada por el condensador superior y con los productos. El calor que entra en una columna de destilación es un parámetro de funcionamiento crucial, la adición de calor excesivo o insuficiente a la columna puede dar lugar a la formación de espuma, a la filtración, al arrastre o a la inundación.
La figura 3 representa una columna de fraccionamiento industrial que separa una corriente de alimentación en una fracción de destilado y una fracción de fondo. Sin embargo, muchas columnas industriales de fraccionamiento tienen salidas a intervalos en la columna, de modo que se pueden extraer múltiples productos con diferentes rangos de ebullición de una columna que destila una corriente de alimentación multicomponente. Los productos «más ligeros» con los puntos de ebullición más bajos salen por la parte superior de las columnas y los productos «más pesados» con los puntos de ebullición más altos salen por la parte inferior.
Las columnas de fraccionamiento industrial utilizan reflujo externo para lograr una mejor separación de los productos. El reflujo se refiere a la porción del producto líquido condensado que regresa a la parte superior de la columna de fraccionamiento, como se muestra en la figura 3.
Dentro de la columna, el líquido de reflujo que baja proporciona refrigeración y condensación de los vapores que suben, aumentando así la eficacia de la torre de destilación. Cuanto más reflujo y/o más bandejas se proporcionen, mejor será la separación de la torre de los materiales de menor ebullición de los materiales de mayor ebullición.
El diseño y funcionamiento de una columna de fraccionamiento depende de la composición de la alimentación y también de la composición de los productos deseados. En el caso de una alimentación simple de componentes binarios, pueden utilizarse métodos analíticos como el método de McCabe-Thiele o la ecuación de Fenske. Para una alimentación multicomponente, se utilizan modelos de simulación tanto para el diseño como para el funcionamiento y la construcción.
Las «bandejas» o «placas» con tapa de burbuja son uno de los tipos de dispositivos físicos que se utilizan para proporcionar un buen contacto entre el vapor ascendente y el líquido descendente dentro de una columna de fraccionamiento industrial. Dichas bandejas se muestran en las Figuras 4 y 5.
La eficiencia de una bandeja o placa es típicamente menor que la de una etapa de equilibrio teórica 100% eficiente. Por lo tanto, una columna de fraccionamiento casi siempre necesita más platos reales y físicos que el número requerido de etapas teóricas de equilibrio vapor-líquido.
En usos industriales, a veces se utiliza un material de relleno en la columna en lugar de bandejas, especialmente cuando se requieren bajas caídas de presión a través de la columna, como cuando se opera en vacío. Este material de empaque puede ser un empaque volcado al azar (de 1 a 3 pulgadas o de 2,5 a 7,6 cm de ancho), como los anillos Raschig, o una lámina metálica estructurada. Los líquidos tienden a mojar la superficie de la empaquetadura, y los vapores pasan a través de esta superficie mojada, donde tiene lugar la transferencia de masa. Las empaquetaduras de diferentes formas tienen diferentes áreas de superficie y espacios vacíos entre las empaquetaduras. Ambos factores afectan al rendimiento de la empaquetadura.