Destilační kolona může zvenčí působit jako jednoduchá vysoká nádoba. Uvnitř se ale odehrává souhra proudění páry a kapaliny, která umožňuje oddělovat složky směsi podle jejich těkavosti. Jedním z dílů, které tento kontakt zajišťují, je bubble cap – klobouček umístěný na patře kolony.
Proč se pára musí potkat s kapalinou
Při zahřívání směsi přecházejí její složky do páry různou měrou. Těkavější složka má větší sklon odcházet z kapaliny do plynné fáze, zatímco méně těkavá se v ní udržuje snáze. Pokud se pára a kapalina dostanou do dobrého kontaktu, mohou si jednotlivé složky mezi sebou předávat. Část těkavější složky přejde do páry a část méně těkavé naopak do kapaliny.
Jedno setkání však obvykle nestačí k dokonalému oddělení. Kolona proto kontakt opakuje na mnoha patrech: pára postupuje vzhůru, zatímco kapalina stéká dolů. S každým dalším setkáním se horní část kolony obohacuje o těkavější složky a spodní o ty méně těkavé. Skutečné patro přitom nedosahuje automaticky úplné rovnováhy mezi párou a kapalinou. Rovnovážný stupeň je ideální model; reálná účinnost závisí mimo jiné na konstrukci i provozních podmínkách.
Jak bubble cap vytváří bubliny
Patro s bubble caps zadržuje vrstvu kapaliny pomocí přepadové hrany, které se říká weir. Kapalina přitéká z vyššího patra svodem, přeteče přes patro a odchází přepadem do dalšího svodu. Nad hladinou jsou rozmístěné kloboučky, každý nasazený na stoupací trubce.
Pára stoupá trubkou vzhůru, pod kloboučkem změní směr a vychází jeho štěrbinami. Ty jsou pod hladinou, takže se pára musí protlačit kapalinou a vytvoří v ní bubliny. Bubliny i pěna zvětšují plochu, na které se mohou obě fáze setkávat. Výška hladiny a poloha štěrbin jsou proto důležité: pára má procházet kapalinou, ne uniknout nad její hladinou.
Klobouček tedy směs sám „nečistí“ ani neurčuje chuť výsledného destilátu. Jeho úkolem je usměrnit proud páry tak, aby se účinněji setkala s kapalinou. Složení produktů ovlivňují vlastnosti směsi a provoz kolony, například míra refluxu, konstrukce zařízení a jeho zatížení.
Patra uvnitř kontinuální kolony
Kontinuální kolonová destilace se liší od jednoduchého vsádkového kotle tím, že směs se do zařízení přivádí průběžně a současně se průběžně odebírají produkty. V běžném uspořádání vstupuje surovina poblíž středu kolony. Pára vzniká v dolním vařiči a stoupá vzhůru, kde se na vrcholu kondenzuje. Část kondenzátu se vrací do kolony jako reflux, zbytek odchází jako vrchní produkt. Ze spodní části se odebírá spodní produkt.
Nad místem přívodu suroviny leží rektifikační část, pod ním stripovací část. V obou se opakují kontakty páry s kapalinou, i když jejich role v procesu je odlišná. Protiproudé uspořádání znamená, že kapalina stéká dolů a pára stoupá vzhůru. Reflux přivádí do horní části kolony kapalinu, která se znovu účastní těchto výměn.
Bubble cap, síto, nebo ventil?
Bubble cap je jedním z několika způsobů, jak na patře zajistit kontakt obou fází. Síto má otvory, kterými pára prochází přímo do kapaliny. Ventilové patro využívá pevné nebo pohyblivé ventily. Konstrukce se liší hydraulickými a provozními vlastnostmi; neexistuje tedy jedno řešení nejlepší pro každou kolonu a každou směs.
Kloboučky pomáhají udržet kapalinu na patře i při malém průtoku páry a mohou být vhodné tam, kde je nežádoucí, aby kapalina protékala otvory. Mají však i své provozní limity. Příliš malý tok páry nebo kapaliny může omezit účinnost, zatímco při příliš rychlém proudění páry může být kapalina strhávána vzhůru nebo se kolona zahltí. Větší průtok páry i hlubší vrstva kapaliny navíc zvyšují tlakovou ztrátu.
Alternativou k patrové koloně je kolona náplňová. V ní se kontakt neodehrává na jednotlivých patrech, ale průběžně na náplni. U obou typů zařízení zůstává princip stejný: opakovaný kontakt páry a kapaliny podporuje přenos složek, které se od sebe liší těkavostí. Počet skutečných pater přitom nelze jednoduše zaměnit za počet ideálních rovnovážných stupňů – kvůli omezené účinnosti může kolona potřebovat více fyzických pater, než odpovídá teoretickému modelu.