Distilarea fracționată este una dintre operațiile unitare ale ingineriei chimice. Coloanele de fracționare sunt utilizate pe scară largă în industriile de prelucrare chimică, unde trebuie distilate cantități mari de lichide. Astfel de industrii sunt prelucrarea petrolului, producția petrochimică, prelucrarea gazelor naturale, prelucrarea gudronului de cărbune, fabricarea berii, separarea aerului lichefiat și producția de solvenți de hidrocarburi și alte industrii similare, dar își găsește cea mai largă aplicare în rafinăriile de petrol. În astfel de rafinării, materia primă de țiței este un amestec complex, multicomponent, care trebuie separat și nu se așteaptă să se obțină compuși chimici puri, ci doar grupuri de compuși într-un interval relativ mic de puncte de fierbere, numite și fracțiuni. Aceasta este originea denumirii de distilare fracționată sau fracționare. De multe ori nu merită să se separe mai departe componentele din aceste fracții, pe baza cerințelor produsului și a aspectelor economice.
Distilarea este unul dintre cele mai comune și mai consumatoare de energie procese de separare. Eficacitatea separării depinde de înălțimea și diametrul coloanei, de raportul dintre înălțimea și diametrul coloanei și de materialul din care este alcătuită coloana de distilare în sine. Într-o uzină chimică obișnuită, aceasta reprezintă aproximativ 40% din consumul total de energie. Distilarea industrială se realizează de obicei în coloane cilindrice verticale mari (așa cum se arată în figura 2), cunoscute sub numele de „turnuri de distilare” sau „coloane de distilare”, cu diametre cuprinse între aproximativ 65 de centimetri și 6 metri și înălțimi cuprinse între aproximativ 6 metri și 60 de metri sau mai mult.
Turnurile de distilare industrială sunt de obicei exploatate într-o stare de echilibru continuu. Cu excepția cazului în care nu este perturbată de modificări ale alimentării, ale căldurii, ale temperaturii mediului ambiant sau ale condensării, cantitatea de alimentare adăugată este, în mod normal, egală cu cantitatea de produs eliminată.
Cantitatea de căldură care intră în coloană dinspre reboiler și odată cu alimentarea trebuie să fie egală cu cantitatea de căldură eliminată de către condensatorul de deasupra capului și odată cu produsele. Căldura care intră într-o coloană de distilare este un parametru de funcționare crucial, adăugarea de căldură în exces sau insuficientă în coloană poate duce la formarea de spumă, scurgeri, antrenare sau inundare.
Figura 3 prezintă o coloană de fracționare industrială care separă un flux de alimentare într-o fracție de distilat și o fracție de fund. Cu toate acestea, multe coloane de fracționare industriale au ieșiri la intervale de timp în susul coloanei, astfel încât mai multe produse cu intervale de fierbere diferite pot fi extrase dintr-o coloană care distilează un flux de alimentare cu mai mulți componenți. Produsele „cele mai ușoare”, cu cele mai mici puncte de fierbere, ies prin partea superioară a coloanelor, iar produsele „cele mai grele”, cu cele mai înalte puncte de fierbere, ies prin partea inferioară.
Polumele industriale de fracționare utilizează refluxul extern pentru a obține o mai bună separare a produselor. Refluxul se referă la porțiunea de produs lichid condensat de deasupra capului care revine în partea superioară a coloanei de fracționare, așa cum se arată în figura 3.
În interiorul coloanei, lichidul de reflux care se scurge în jos asigură răcirea și condensarea vaporilor care se scurg în sus, sporind astfel eficacitatea turnului de distilare. Cu cât este prevăzut mai mult reflux și/sau mai multe platouri, cu atât mai bună este separarea de către turn a materialelor cu punct de fierbere mai scăzut de cele cu punct de fierbere mai ridicat.
Proiectarea și funcționarea unei coloane de fracționare depinde de compoziția fluxului de alimentare și, de asemenea, de compoziția produselor dorite. Având în vedere o alimentare simplă, cu componente binare, se pot utiliza metode analitice cum ar fi metoda McCabe-Thiele sau ecuația Fenske. În cazul unei alimentații cu mai mulți componenți, se folosesc modele de simulare atât pentru proiectare, cât și pentru operare și construcție.
„Tăvile” sau „plăcile” cu capac cu bule sunt unul dintre tipurile de dispozitive fizice, care sunt folosite pentru a asigura un bun contact între vaporii care urcă și lichidul care coboară în interiorul unei coloane de fracționare industriale. Astfel de tăvi sunt prezentate în figurile 4 și 5.
Eficiența unei tăvi sau a unei plăci este de obicei mai mică decât cea a unui etaj de echilibru teoretic eficient 100%. Prin urmare, o coloană de fracționare are aproape întotdeauna nevoie de mai multe platouri reale, fizice, decât numărul necesar de etaje teoretice de echilibru vapori-lichid.
În utilizările industriale, uneori se folosește un material de împachetare în coloană în locul tăvilor, în special atunci când sunt necesare căderi de presiune scăzute pe coloană, ca atunci când se lucrează în vid. Acest material de împachetare poate fi fie o garnitură aruncată la întâmplare (1-3 in sau 2,5-7,6 cm lățime), cum ar fi inelele Raschig, fie tablă structurată. Lichidele au tendința de a umezi suprafața garniturii, iar vaporii trec pe această suprafață umezită, unde are loc transferul de masă. Garniturile de forme diferite au suprafețe și spații goale diferite între garnituri. Amândoi acești factori afectează performanța ambalajului.