Fraktionerad destillation är en av de kemiska processerna. Fraktioneringskolonner används ofta inom den kemiska processindustrin där stora mängder vätskor måste destilleras. Sådana industrier är petroleumbearbetning, petrokemisk produktion, naturgasbearbetning, bearbetning av stenkolstjära, bryggning, separering av flytande luft, produktion av lösningsmedel för kolväten och liknande industrier, men den har sin bredaste tillämpning i oljeraffinaderier. I sådana raffinaderier är råoljematerialet en komplex flerkomponentblandning som måste separeras, och man förväntar sig inte att få fram rena kemiska föreningar, utan endast grupper av föreningar inom ett relativt litet kokpunktsintervall, även kallade fraktioner. Detta är ursprunget till namnet fraktionerad destillation eller fraktionering. Ofta är det inte värt att separera komponenterna i dessa fraktioner ytterligare utifrån produktkrav och ekonomi.
Destillation är en av de vanligaste och mest energikrävande separationsprocesserna. Separeringens effektivitet är beroende av kolonnens höjd och diameter, förhållandet mellan kolonnens höjd och diameter och det material som själva destillationskolonnen består av. I en typisk kemisk anläggning står den för cirka 40 % av den totala energiförbrukningen. Industriell destillation utförs vanligtvis i stora, vertikala cylindriska kolonner (se figur 2) som kallas ”destillationstorn” eller ”destillationskolonner” med diametrar på mellan cirka 65 centimeter och 6 meter och höjder på mellan cirka 6 meter och 60 meter eller mer.
Industriella destillationstorn drivs vanligen i kontinuerligt jämnt tillstånd. Om det inte störs av förändringar i matning, värme, omgivningstemperatur eller kondensering är mängden matning som tillsätts normalt lika stor som mängden produkt som avlägsnas.
Mängden värme som kommer in i kolonnen från reboilern och med matningen måste vara lika stor som den mängd värme som avlägsnas av överliggande kondensatorn och med produkterna. Värmen som kommer in i en destillationskolonn är en viktig driftsparameter, tillförsel av överskottsvärme eller otillräcklig värme till kolonnen kan leda till skumning, vätskebildning, medtransport eller översvämning.
Figur 3 visar en industriell fraktioneringskolonn som separerar en matningsström i en destillatfraktion och en bottenfraktion. Många industriella fraktioneringskolonner har dock utlopp med mellanrum uppåt i kolonnen så att flera produkter med olika kokintervall kan tas ut från en kolonn som destillerar en flerkomponentsmatningsström. De ”lättaste” produkterna med de lägsta kokpunkterna kommer ut från toppen av kolonnerna och de ”tyngsta” produkterna med de högsta kokpunkterna kommer ut från botten.
Industriella fraktioneringskolonner använder externt återflöde för att uppnå en bättre separation av produkterna. Med återflödet avses den del av den kondenserade överliggande vätskan som återvänder till den övre delen av fraktioneringskolonnen enligt figur 3.
Inom kolonnen ger den nedströmsgående återflödesvätskan kylning och kondensering av de uppströmsgående ångorna och ökar därmed destillationstornets effektivitet. Ju mer återflöde och/eller fler brickor, desto bättre är tornets separation av lägre kokande material från högre kokande material.
Utformningen och driften av en fraktioneringskolonn beror på matningens sammansättning och på sammansättningen av de önskade produkterna. Med en enkel matning med binära komponenter kan analytiska metoder som McCabe-Thiele-metoden eller Fenske-ekvationen användas. För en flerkomponentmatning används simuleringsmodeller både för utformning, drift och konstruktion.
Bubble-cap ”brickor” eller ”plattor” är en av de typer av fysiska anordningar som används för att ge god kontakt mellan den uppströmsgående ångan och den nedströmsgående vätskan i en industriell fraktioneringskolonn. Sådana brickor visas i figurerna 4 och 5.
Effektiviteten hos en bricka eller platta är vanligtvis lägre än den hos ett teoretiskt 100 % effektivt jämviktssteg. Därför behöver en fraktioneringskolonn nästan alltid fler faktiska, fysiska plattor än det erforderliga antalet teoretiska ång-vätskejämviktssteg.
I industriell användning används ibland ett packningsmaterial i kolonnen i stället för brickor, särskilt när det krävs låga tryckfall över kolonnen, som vid drift under vakuum. Detta packningsmaterial kan antingen vara slumpmässigt dumpad packning (1-3 tum eller 2,5-7,6 cm bred) såsom Raschigringar eller strukturerad plåt. Vätskor tenderar att fukta packningens yta, och ångorna passerar över denna fuktade yta, där massöverföring sker. Olika formade packningar har olika yta och hålrum mellan packningarna. Båda dessa faktorer påverkar packningens prestanda.