Destilação fraccionada é uma das operações unitárias da engenharia química. As colunas fracionadoras são amplamente utilizadas nas indústrias de processos químicos onde grandes quantidades de líquidos têm que ser destiladas. Tais indústrias são o processamento de petróleo, produção petroquímica, processamento de gás natural, processamento de alcatrão de carvão, fabricação de cerveja, separação de ar liquefeito e produção de solventes hidrocarbonados e indústrias similares, mas encontra a sua maior aplicação nas refinarias de petróleo. Nessas refinarias, a matéria-prima do petróleo bruto é uma mistura complexa e multicomponente que deve ser separada, e não se esperam rendimentos de compostos químicos puros, apenas grupos de compostos dentro de uma gama relativamente pequena de pontos de ebulição, também chamados de frações. Esta é a origem do nome destilação fracionada ou fracionamento. Muitas vezes não vale a pena separar mais os componentes dessas frações com base nos requisitos e economia do produto.
Destilação é um dos processos de separação mais comuns e intensivos em energia. A eficácia da separação depende da altura e do diâmetro da coluna, da relação entre a altura da coluna e o diâmetro e do material que constitui a própria coluna de destilação. Numa instalação química típica, é responsável por cerca de 40% do consumo total de energia. A destilação industrial é normalmente realizada em grandes colunas cilíndricas verticais (como mostrado na Figura 2) conhecidas como “torres de destilação” ou “colunas de destilação” com diâmetros que variam de cerca de 65 centímetros a 6 metros e alturas que variam de cerca de 6 metros a 60 metros ou mais.
T torres de destilação industrial são normalmente operadas em um estado estável contínuo. A menos que perturbadas por mudanças na alimentação, calor, temperatura ambiente ou condensação, a quantidade de alimentação sendo adicionada normalmente é igual à quantidade de produto sendo removida.
A quantidade de calor que entra na coluna do reboiler e com a alimentação deve ser igual à quantidade de calor removida pelo condensador suspenso e com os produtos. O calor que entra numa coluna de destilação é um parâmetro operacional crucial, a adição de calor em excesso ou insuficiente à coluna pode levar à formação de espuma, choro, arrastamento ou inundação.
Figure 3 representa uma coluna de fraccionamento industrial que separa um fluxo de alimentação em uma fracção de destilado e uma fracção de fundo. No entanto, muitas colunas de fraccionamento industrial têm saídas em intervalos que sobem a coluna de modo a que múltiplos produtos com diferentes intervalos de ebulição possam ser retirados de uma coluna que destila uma corrente de alimentação de múltiplos componentes. Os produtos “mais leves” com os pontos de ebulição mais baixos saem do topo das colunas e os produtos “mais pesados” com os pontos de ebulição mais altos saem do fundo.
As colunas de fracionamento industrial utilizam refluxo externo para conseguir uma melhor separação dos produtos. Refluxo refere-se à porção do produto líquido condensado que retorna à parte superior da coluna de fraccionamento como mostrado na Figura 3.
No interior da coluna, o líquido de refluxo que desce fornece refrigeração e condensação dos vapores que sobem, aumentando assim a eficácia da torre de destilação. Quanto mais refluxo e/ou mais bandejas forem fornecidas, melhor é a separação da torre de materiais com menor ebulição dos materiais com maior ebulição.
O projeto e operação de uma coluna fracionada depende da composição da alimentação e também da composição dos produtos desejados. Dada uma alimentação simples, de componentes binários, métodos analíticos como o método McCabe-Thiele ou a equação de Fenske podem ser usados. Para uma alimentação multicomponente, modelos de simulação são usados tanto para projeto, operação e construção.
Bubble-cap “bandejas” ou “placas” são um dos tipos de dispositivos físicos, que são usados para fornecer um bom contato entre o vapor ascendente e o líquido descendente dentro de uma coluna de fracionamento industrial. Tais bandejas são mostradas nas Figuras 4 e 5.
A eficiência de uma bandeja ou placa é tipicamente menor que a de um estágio teórico de equilíbrio 100% eficiente. Assim, uma coluna fracionadora quase sempre necessita de mais placas físicas e reais do que o número necessário de estágios teóricos de equilíbrio vapor-líquido.
Em usos industriais, às vezes é usado um material de embalagem na coluna em vez de bandejas, especialmente quando são necessárias baixas quedas de pressão através da coluna, como quando operando sob vácuo. Este material de empacotamento pode ser uma embalagem de despejo aleatório (1-3 polegadas ou 2,5-7,6 cm de largura), como anéis Raschig ou chapa metálica estruturada. Os líquidos tendem a molhar a superfície da embalagem, e os vapores passam através desta superfície molhada, onde ocorre a transferência de massa. Embalagens com formatos diferentes têm áreas de superfície diferentes e espaço vazio entre as embalagens. Ambos os fatores afetam o desempenho da embalagem.