La distillazione frazionata è una delle operazioni unitarie dell’ingegneria chimica. Le colonne di frazionamento sono ampiamente utilizzate nelle industrie di processo chimico dove devono essere distillate grandi quantità di liquidi. Tali industrie sono la lavorazione del petrolio, la produzione petrolchimica, la lavorazione del gas naturale, la lavorazione del catrame di carbone, la produzione di birra, la separazione dell’aria liquefatta, la produzione di solventi idrocarburici e industrie simili, ma trova la sua più ampia applicazione nelle raffinerie di petrolio. In tali raffinerie, la materia prima del petrolio greggio è una miscela complessa e multicomponente che deve essere separata, e non ci si aspettano rese di composti chimici puri, ma solo gruppi di composti all’interno di una gamma relativamente piccola di punti di ebollizione, chiamati anche frazioni. Questa è l’origine del nome distillazione frazionata o frazionamento. Spesso non vale la pena di separare ulteriormente i componenti di queste frazioni in base ai requisiti del prodotto e all’economia.
La distillazione è uno dei processi di separazione più comuni e ad alta intensità energetica. L’efficacia della separazione dipende dall’altezza e dal diametro della colonna, dal rapporto tra altezza e diametro della colonna e dal materiale che compone la colonna di distillazione stessa. In un tipico impianto chimico, rappresenta circa il 40% del consumo totale di energia. La distillazione industriale è tipicamente eseguita in grandi colonne cilindriche verticali (come mostrato nella Figura 2) note come “torri di distillazione” o “colonne di distillazione” con diametri che vanno da circa 65 centimetri a 6 metri e altezze che vanno da circa 6 metri a 60 metri o più.
Le torri di distillazione industriale sono solitamente operate ad uno stato costante continuo. A meno che non siano disturbate da cambiamenti nell’alimentazione, nel calore, nella temperatura ambiente o nella condensazione, la quantità di alimentazione aggiunta è normalmente uguale alla quantità di prodotto rimosso.
La quantità di calore che entra nella colonna dal ribollitore e con l’alimentazione deve essere uguale alla quantità di calore rimossa dal condensatore in testa e con i prodotti. Il calore che entra in una colonna di distillazione è un parametro operativo cruciale, l’aggiunta di calore in eccesso o insufficiente alla colonna può portare a schiume, pianti, trascinamenti o allagamenti.
La figura 3 mostra una colonna di frazionamento industriale che separa un flusso di alimentazione in una frazione di distillato e una frazione di fondo. Tuttavia, molte colonne industriali di frazionamento hanno uscite a intervalli nella colonna in modo che più prodotti con diversi intervalli di ebollizione possono essere ritirati da una colonna che distilla un flusso di alimentazione multicomponente. I prodotti più “leggeri” con i punti di ebollizione più bassi escono dalla parte superiore delle colonne e i prodotti più “pesanti” con i punti di ebollizione più alti escono dalla parte inferiore.
Le colonne industriali di frazionamento utilizzano il riflusso esterno per ottenere una migliore separazione dei prodotti. Il reflusso si riferisce alla parte del prodotto liquido condensato in testa che ritorna nella parte superiore della colonna di frazionamento, come mostrato nella Figura 3.
All’interno della colonna, il liquido di reflusso in discesa fornisce il raffreddamento e la condensazione dei vapori in risalita, aumentando così l’efficacia della torre di distillazione. Più riflusso e/o più vassoi sono forniti, migliore è la separazione della torre di materiali a bassa ebollizione da quelli a più alta ebollizione.
La progettazione e il funzionamento di una colonna di frazionamento dipende dalla composizione dell’alimentazione e dalla composizione dei prodotti desiderati. Dato un’alimentazione semplice a componenti binari, possono essere utilizzati metodi analitici come il metodo McCabe-Thiele o l’equazione di Fenske. Per un’alimentazione multicomponente, i modelli di simulazione sono usati sia per la progettazione, che per il funzionamento e la costruzione.
I “vassoi” o “piastre” con tappo a bolla sono uno dei tipi di dispositivi fisici, che sono usati per fornire un buon contatto tra il vapore in salita e il liquido in discesa all’interno di una colonna di frazionamento industriale. Tali vassoi sono mostrati nelle figure 4 e 5.
L’efficienza di un vassoio o piastra è tipicamente inferiore a quella di uno stadio di equilibrio teorico efficiente al 100%. Quindi, una colonna di frazionamento ha quasi sempre bisogno di più piastre fisiche effettive rispetto al numero richiesto di stadi teorici di equilibrio vapore-liquido.
Negli usi industriali, a volte un materiale di imballaggio è usato nella colonna invece dei vassoi, specialmente quando sono richieste basse cadute di pressione attraverso la colonna, come quando si opera sotto vuoto. Questo materiale di imballaggio può essere sia un imballaggio scaricato a caso (1-3 in o 2,5-7,6 cm di larghezza) come gli anelli Raschig o una lamiera strutturata. I liquidi tendono a bagnare la superficie dell’imballaggio, e i vapori passano attraverso questa superficie bagnata, dove avviene il trasferimento di massa. Gli imballaggi di forma diversa hanno diverse aree superficiali e spazi vuoti tra gli imballaggi. Entrambi questi fattori influenzano le prestazioni dell’imballaggio.