Fractionele destillatie is een van de eenheidsbewerkingen van de chemische technologie. Fractionerende kolommen worden op grote schaal gebruikt in de chemische procesindustrie waar grote hoeveelheden vloeistoffen moeten worden gedestilleerd. Dergelijke industrieën zijn de aardolieverwerking, petrochemische productie, aardgasverwerking, koolteerverwerking, brouwerijen, luchtsplitsing, en de productie van koolwaterstofoplosmiddelen en soortgelijke industrieën, maar zij vinden hun breedste toepassing in aardolieraffinaderijen. In dergelijke raffinaderijen is de ruwe aardoliegrondstof een complex mengsel van meerdere componenten dat moet worden gescheiden, en er worden geen opbrengsten van zuivere chemische verbindingen verwacht, maar alleen groepen van verbindingen binnen een relatief klein bereik van kookpunten, ook wel fracties genoemd. Dat is de oorsprong van de naam gefractioneerde destillatie of fractionering. Op grond van producteisen en economische overwegingen is het vaak niet zinvol de componenten in deze fracties verder te scheiden.
Distillatie is een van de meest voorkomende en energie-intensieve scheidingsprocessen. De doeltreffendheid van de scheiding is afhankelijk van de hoogte en de diameter van de kolom, de verhouding tussen de hoogte en de diameter van de kolom, en het materiaal waaruit de destillatiekolom zelf is samengesteld. In een typische chemische fabriek is de distillatiekolom verantwoordelijk voor ongeveer 40% van het totale energieverbruik. Industriële distillatie wordt gewoonlijk uitgevoerd in grote, verticale cilindrische kolommen (zoals afgebeeld in figuur 2), bekend als “distillatietorens” of “distillatiekolommen” met diameters variërend van ongeveer 65 centimeter tot 6 meter en hoogtes variërend van ongeveer 6 meter tot 60 meter of meer.
Industriële distillatietorens worden gewoonlijk in een continue stabiele toestand gebruikt. Tenzij verstoord door veranderingen in de toevoer, de warmte, de omgevingstemperatuur of de condensatie, is de hoeveelheid toegevoerde warmte gewoonlijk gelijk aan de hoeveelheid afgevoerde producten.
De hoeveelheid warmte die de kolom binnenkomt van de reboiler en met de toevoer moet gelijk zijn aan de hoeveelheid warmte die wordt afgevoerd door de overheadcondensor en met de producten. De warmte die een destillatiekolom binnenkomt, is een cruciale bedrijfsparameter; toevoeging van te veel of te weinig warmte aan de kolom kan leiden tot schuimvorming, insijpeling, insijpeling of overstroming.
Figuur 3 toont een industriële fractionerende kolom die een voedingsstroom scheidt in een destillaatfractie en een bodemfractie. Veel industriële fractioneringskolommen hebben echter met tussenpozen uitlaten op de kolom, zodat meerdere producten met verschillende kooktrajecten kunnen worden onttrokken aan een kolom die een uit meerdere componenten bestaande voedingsstroom distilleert. De “lichtste” producten met het laagste kookpunt komen uit de top van de kolom en de “zwaarste” producten met het hoogste kookpunt komen uit de bodem.
Industriële fractioneringskolommen maken gebruik van externe terugvloeiing om een betere scheiding van de producten te bereiken. Reflux verwijst naar het gedeelte van het gecondenseerde vloeibare product dat terugkeert naar het bovenste deel van de fractioneerkolom, zoals weergegeven in figuur 3.
In de kolom zorgt de naar beneden stromende refluxvloeistof voor koeling en condensatie van de opstromende dampen, waardoor de doeltreffendheid van de destillatietoren wordt verhoogd. Hoe meer terugvloeiing en/of hoe meer schalen, hoe beter de toren de lager kokende materialen scheidt van de hoger kokende materialen.
Het ontwerp en de werking van een fractionerende kolom zijn afhankelijk van de samenstelling van de voeding en van de samenstelling van de gewenste producten. Voor een eenvoudige voeding met twee componenten kunnen analytische methoden worden gebruikt, zoals de McCabe-Thiele-methode of de Fenske-vergelijking. Voor een voeding met meerdere componenten worden simulatiemodellen gebruikt voor zowel het ontwerp, de werking als de constructie.
Bellenkappen of -platen zijn een van de soorten fysische inrichtingen die worden gebruikt om een goed contact tot stand te brengen tussen de opstromende damp en de neerstromende vloeistof in een industriële fractioneerkolom. Dergelijke schalen zijn afgebeeld in de figuren 4 en 5.
De efficiëntie van een schaal of plaat is gewoonlijk lager dan die van een theoretisch 100% efficiënte evenwichtstrap. Vandaar dat een fractionerende kolom bijna altijd meer werkelijke, fysieke platen nodig heeft dan het vereiste aantal theoretische damp-vloeistof evenwichtstrappen.
In industriële toepassingen wordt in de kolom soms een pakkingsmateriaal gebruikt in plaats van schalen, vooral wanneer lage drukverliezen over de kolom vereist zijn, zoals bij werking onder vacuüm. Dit pakkingsmateriaal kan bestaan uit willekeurig gestorte pakking (1-3 in of 2,5-7,6 cm breed), zoals Raschig-ringen, of uit gestructureerd plaatstaal. Vloeistoffen hebben de neiging het oppervlak van de pakking nat te maken, en de dampen gaan over dit bevochtigde oppervlak, waar massaoverdracht plaatsvindt. Verschillende gevormde pakkingen hebben een verschillend oppervlak en een verschillende holte tussen de pakkingen. Beide factoren beïnvloeden de prestaties van de pakking.