Destylacja frakcyjna jest jedną z operacji jednostkowych w inżynierii chemicznej. Kolumny frakcjonujące są szeroko stosowane w przemyśle chemicznym, gdzie duże ilości cieczy muszą być destylowane. Takie branże to przetwórstwo ropy naftowej, produkcja petrochemiczna, przetwarzanie gazu ziemnego, przetwarzanie smoły węglowej, browarnictwo, separacja skroplonego powietrza, produkcja rozpuszczalników węglowodorowych i podobne branże, ale znajduje swoje najszersze zastosowanie w rafineriach ropy naftowej. W takich rafineriach surowiec, jakim jest ropa naftowa, stanowi złożoną, wieloskładnikową mieszaninę, która musi zostać rozdzielona, a nie oczekuje się uzysku czystych związków chemicznych, tylko grup związków w stosunkowo niewielkim zakresie temperatur wrzenia, zwanych też frakcjami. Stąd właśnie pochodzi nazwa destylacja frakcyjna lub frakcjonowanie. Często nie opłaca się dalej rozdzielać składników w tych frakcjach ze względu na wymagania produktu i ekonomię.
Destylacja jest jednym z najbardziej powszechnych i energochłonnych procesów rozdzielania. Skuteczność rozdzielania zależy od wysokości i średnicy kolumny, stosunku wysokości kolumny do jej średnicy oraz materiału, z którego wykonana jest kolumna destylacyjna. W typowym zakładzie chemicznym, stanowi to około 40% całkowitego zużycia energii. Destylacja przemysłowa jest zazwyczaj przeprowadzana w dużych, pionowych cylindrycznych kolumnach (jak pokazano na rysunku 2) znanych jako „wieże destylacyjne” lub „kolumny destylacyjne” o średnicy od około 65 centymetrów do 6 metrów i wysokości od około 6 metrów do 60 metrów lub więcej.
Przemysłowe wieże destylacyjne są zazwyczaj eksploatowane w ciągłym stanie ustalonym. O ile nie jest to zakłócone zmianami w paszy, cieple, temperaturze otoczenia lub skraplaniu, ilość dodawanej paszy jest zwykle równa ilości usuwanego produktu.
Wartość ciepła wprowadzanego do kolumny z kotła warzelnego i wraz z paszą musi być równa wartości ciepła usuwanego przez skraplacz górny i wraz z produktami. Ciepło wprowadzane do kolumny destylacyjnej jest kluczowym parametrem operacyjnym, dodanie nadmiaru lub niedostatecznej ilości ciepła do kolumny może prowadzić do powstawania piany, wycieku, porywania lub zalewania.
Figura 3 przedstawia przemysłową kolumnę frakcjonującą rozdzielającą strumień zasilający na jedną frakcję destylatu i jedną frakcję pozostałości. Jednakże wiele przemysłowych kolumn frakcjonujących ma wyloty w odstępach w górę kolumny, tak że wiele produktów o różnych zakresach wrzenia może być wycofanych z kolumny destylującej wieloskładnikowy strumień zasilający. Najlżejsze” produkty o najniższych temperaturach wrzenia wychodzą z górnej części kolumny, a „najcięższe” produkty o najwyższych temperaturach wrzenia wychodzą z dolnej części kolumny.
Przemysłowe kolumny frakcjonujące wykorzystują zewnętrzny refluks w celu osiągnięcia lepszego rozdzielenia produktów. Refluks odnosi się do części skondensowanego napowietrznego produktu ciekłego, który powraca do górnej części kolumny frakcjonującej, jak pokazano na rysunku 3.
Wewnątrz kolumny, spływająca w dół ciecz refluksowa zapewnia chłodzenie i kondensację wypływających oparów, zwiększając w ten sposób skuteczność wieży destylacyjnej. Im więcej refluksu i/lub więcej tac, tym lepiej wieża oddziela materiały niżej wrzące od materiałów wyżej wrzących.
Konstrukcja i działanie kolumny frakcjonującej zależy od składu wsadu, jak również od składu pożądanych produktów. Biorąc pod uwagę prostą, dwuskładnikową paszę, można zastosować metody analityczne, takie jak metoda McCabe-Thiele lub równanie Fenske. W przypadku zasilania wieloskładnikowego, modele symulacyjne są wykorzystywane zarówno do projektowania, działania, jak i konstrukcji.
Kapsułki bąbelkowe lub płyty są jednym z typów urządzeń fizycznych, które są wykorzystywane do zapewnienia dobrego kontaktu pomiędzy przepływającą parą a przepływającą cieczą wewnątrz przemysłowej kolumny frakcjonującej. Takie tace są pokazane na rysunkach 4 i 5.
Wydajność tacy lub płyty jest zazwyczaj niższa niż teoretycznego 100% wydajnego etapu równowagi. Stąd kolumna frakcjonująca prawie zawsze potrzebuje więcej rzeczywistych, fizycznych płytek niż wymagana liczba teoretycznych stopni równowagi para-ciecz.
W zastosowaniach przemysłowych, zamiast tacek w kolumnie stosuje się czasem materiał uszczelniający, zwłaszcza gdy wymagane są niskie spadki ciśnienia w kolumnie, jak w przypadku pracy w próżni. Materiałem uszczelniającym może być szczeliwo wyrzucane losowo (o szerokości 1-3 cali lub 2,5-7,6 cm), takie jak pierścienie Raschiga, lub blacha strukturalna. Ciecze mają tendencję do zwilżania powierzchni szczeliwa, a opary przechodzą przez tę zwilżoną powierzchnię, gdzie następuje przenoszenie masy. Szczeliwa o różnych kształtach mają różną powierzchnię i przestrzeń pustą pomiędzy szczeliwami. Oba te czynniki wpływają na wydajność szczeliwa.