A frakcionált desztilláció a vegyészet egyik egységművelete. A frakcionáló oszlopokat széles körben alkalmazzák a vegyipari feldolgozóiparban, ahol nagy mennyiségű folyadékot kell desztillálni. Ilyen iparágak a kőolaj-feldolgozás, a petrolkémiai termelés, a földgázfeldolgozás, a kőszénkátrány-feldolgozás, a sörfőzés, a cseppfolyósított levegő szétválasztása, a szénhidrogén-oldószerek előállítása és hasonló iparágak, de legszélesebb körű alkalmazását a kőolaj-finomítókban találja meg. Az ilyen finomítókban a nyersolaj-alapanyag összetett, többkomponensű keverék, amelyet szét kell választani, és nem várható tiszta kémiai vegyületek, hanem csak viszonylag kis forráspont-tartományba eső vegyületcsoportok, más néven frakciók termelése. Innen ered a frakcionált desztilláció vagy frakcionálás elnevezés. Ezekben a frakciókban lévő komponenseket a termékigény és a gazdaságosság alapján gyakran nem érdemes tovább választani.
A desztilláció az egyik legelterjedtebb és energiaigényes elválasztási eljárás. Az elválasztás hatékonysága függ az oszlop magasságától és átmérőjétől, az oszlop magasságának és átmérőjének arányától, valamint magától a desztillációs oszlopot alkotó anyagtól. Egy tipikus vegyi üzemben a teljes energiafogyasztás mintegy 40%-át teszi ki. Az ipari desztillációt jellemzően nagy, függőleges hengeres oszlopokban végzik (amint az a 2. ábrán látható), amelyeket “desztillációs tornyoknak” vagy “desztillációs oszlopoknak” neveznek, átmérőjük körülbelül 65 centimétertől 6 méterig terjed, magasságuk pedig körülbelül 6 métertől 60 méterig vagy annál magasabb.
Az ipari desztillációs tornyokat általában folyamatos egyenletes állapotban működtetik. Hacsak a tápanyag, a hő, a környezeti hőmérséklet vagy a kondenzáció változása nem zavarja meg, a hozzáadott tápanyag mennyisége általában megegyezik az eltávolított termék mennyiségével.
Az újraforralóból és a tápanyaggal az oszlopba belépő hőmennyiségnek meg kell egyeznie a felső kondenzátor által és a termékekkel eltávolított hőmennyiséggel. A desztillálóoszlopba belépő hőmennyiség döntő fontosságú működési paraméter, a többlet vagy elégtelen hő hozzáadása az oszlophoz habosodáshoz, szivárgáshoz, beáramláshoz vagy elárasztáshoz vezethet.
A 3. ábra egy ipari frakcionáló oszlopot ábrázol, amely egy betáplálási áramot egy desztillátumfrakcióra és egy fenékfrakcióra választ szét. Sok ipari frakcionáló oszlop azonban az oszlopon felfelé egymástól bizonyos időközönként kivezetésekkel rendelkezik, így egy többkomponensű tápáramot desztilláló oszlopból több, különböző forráspont-tartományú termék is kivonható. A legalacsonyabb forráspontú “legkönnyebb” termékek az oszlopok tetején, a legmagasabb forráspontú “legnehezebb” termékek pedig az alján lépnek ki.
Az ipari frakcionáló oszlopok külső visszaáramlást alkalmaznak a termékek jobb szétválasztásának elérése érdekében. A reflux a kondenzált felső folyékony terméknek azt a részét jelenti, amely a frakcionáló oszlop felső részébe tér vissza, amint az a 3. ábrán látható.
Az oszlop belsejében a lefelé áramló reflux folyadék biztosítja a feláramló gőzök hűtését és kondenzációját, ezáltal növelve a desztillációs torony hatékonyságát. Minél több reflux és/vagy minél több tálcát biztosítanak, annál jobban elválasztja a torony az alacsonyabb forráspontú anyagokat a magasabb forráspontú anyagoktól.
A frakcionáló oszlop kialakítása és működése függ a betáplált anyag összetételétől, valamint a kívánt termékek összetételétől. Egyszerű, bináris komponensű betáplálás esetén olyan analitikai módszerek alkalmazhatók, mint a McCabe-Thiele-módszer vagy a Fenske-egyenlet. Többkomponensű betáplálás esetén szimulációs modelleket használnak mind a tervezéshez, mind az üzemeltetéshez, mind pedig a kivitelezéshez.
A buborékkupakos “tálcák” vagy “lemezek” egyike azon fizikai eszközöknek, amelyeket a feláramló gőz és a leáramló folyadék közötti jó kapcsolat biztosítására használnak egy ipari frakcionáló oszlopon belül. Az ilyen tálcákat a 4. és 5. ábra mutatja.
A tálcák vagy lemezek hatékonysága általában alacsonyabb, mint az elméleti 100%-os hatékonyságú egyensúlyi fokozaté. Ezért egy frakcionáló oszlopnak szinte mindig több tényleges, fizikai tálcára van szüksége, mint amennyi a szükséges elméleti gőz-folyadék egyensúlyi fokozatok száma.
Ipari felhasználás esetén néha tálcák helyett tömítőanyagot használnak az oszlopban, különösen akkor, ha az oszlopon alacsony nyomásesésre van szükség, például vákuum alatt történő működés esetén. Ez a tömítőanyag lehet véletlenszerűen dömpingelt tömítés (1-3 hüvelyk vagy 2,5-7,6 cm széles), mint például Raschig-gyűrűk, vagy strukturált fémlemez. A folyadékok hajlamosak nedvesíteni a tömítés felületét, és a gőzök ezen a nedvesített felületen haladnak át, ahol tömegátadás történik. A különböző alakú tömítések különböző felülettel és a tömítések közötti üres térrel rendelkeznek. Mindkét tényező befolyásolja a tömítés teljesítményét.