蒸留

蒸留（古典的蒸留とも呼ばれる）は、化学的に別個の物質を 2 つ以上含む液体混合物の構成物質を分離するプロセスです。分離プロセスは、混合物の選択的沸騰と蒸留器内での蒸気の凝縮によって実現されます。

乾留（熱分解および熱分解）は、固体材料を加熱してガスを生成し、これを凝縮して液体製品または固体製品にします。乾留という用語には、破壊蒸留と化学分解の分離プロセスが含まれており、大きな炭化水素分子をより小さな炭化水素分子に分解します。さらに、部分蒸留では混合物の成分が部分的に分離され、ほぼ純粋な成分が得られます。部分蒸留では、混合物を部分的に分離して、選択した成分の濃度を高めることもできます。どちらの方法でも、蒸留の分離プロセスでは、加熱された混合物の成分物質の 相対的な揮発性の差を利用します。

古典的な蒸留の工業的応用では、蒸留という用語は、化学反応ではなく、物理的な分離のプロセスを識別および示す操作単位として使用されます。したがって、蒸留飲料を生産する工業施設は、アルコールの蒸留所です。蒸留である化学分離プロセスのいくつかの応用は次のとおりです。

• 発酵産物を蒸留して、エチルアルコール含有量の高いアルコール飲料を製造すること。
• 飲料水の製造および医療産業用途のための淡水化。
• 原油安定化は、原油の蒸気圧を下げる部分蒸留であり、これにより安全に保管および輸送できるようになり、揮発性炭化水素の大気放出量も削減されます。
• 石油精製所の中間工程で燃料や家畜飼料用の化学原料を生産するために使用される分留法。 ^{[2] [3] [4]}
• 極低温空気を酸素、窒素、アルゴンの成分ガスに分離し、工業用ガスとして使用します。
• 不純物や未反応物質を分離するための化学合成。

蒸留の初期の証拠は、紀元前 1200年頃の香水製造工程を記したアッカド語の粘土板に見つかっている。粘土板には、古代メソポタミアのバビロニア人が初期の原始的な蒸留方法を知っていたことを示す文献が残されている。^[5]

英国の化学者 T. フェアリーによると、ギリシャ人もローマ人も、現代の蒸留の概念を表す言葉を持っていなかった。「蒸留」のような言葉は、他の何か、ほとんどの場合、現在蒸留として知られているものとは関係のないプロセスの一部を指していた。フェアリーとドイツの化学技術者ノルベルト・コックマンはそれぞれ次のように述べている。

ラテン語の「distillo」は、de-stillo（滴を意味するstilla）から来ており、人間または人工的な手段で液体を滴下することを指し、液体を滴状に分離するあらゆるプロセスに適用されました。現代の意味での「蒸留する」は、回りくどい言い方でしか表現できませんでした。^[6]

蒸留は古代や中世ではより広い意味を持っていました。なぜなら、濾過、結晶化、抽出、昇華、油の機械的圧搾など、ほぼすべての精製および分離操作が蒸留という用語に含まれていたからです。 ^[7]

オランダの化学史家ロバート・J・フォーブスによれば、セネカや大プリニウスなどのローマ人が使用した「distillare （滴り落ちる）」という言葉は「私たちの意味では決して使用されなかった」とのことである。^[8]

アリストテレスは海水が蒸発して凝縮した水は淡水であることを知っていた。^[9]

私は実験によって、蒸発した塩水が新鮮な水を形成し、その蒸気が凝縮しても再び海水に凝縮しないことを証明しました。

海水を蒸発させて淡水に凝縮することは、沸騰を伴うため「蒸留」とは言えないが、この実験は蒸留に向けた重要な一歩であった可能性がある。^[10]

蒸留の初期の証拠は、紀元1世紀にローマ帝国時代のエジプトのアレクサンドリアで働いていた錬金術師に関連して発見されています。 ^{[14] ：57、89}

蒸留水は、少なくとも紀元200年ごろ、アフロディシアスのアレクサンダーがその製法を記述したころから使われてきました。 [ 15 ] [ ^{16 ]}他の液体を蒸留する研究は、3世紀に パノポリスのゾシモスの指揮下でビザンチン帝国初期のエジプトでも続けられました。

蒸留は古代インド亜大陸で行われていた。これはパキスタンのタキシラ、シャイカン・デリ、チャルサダ、インドのラン・マハルで紀元前数世紀のものとされる焼き粘土の蒸留器や受器が発見されたことから明らかである。^{[17] [18] [19]}フランク・レイモンド・オールチンは、これらのテラコッタの蒸留管は「竹を模倣して作られた」と述べている。^[20]これらの「ガンダーラ蒸留器」は、低温で蒸気を集める効率的な手段がなかったため、非常に弱い酒しか生産できなかった。^[21]

中国における蒸留は、東漢時代（紀元1～2世紀）に始まったと考えられています。 ^[22]

ジャービル・イブン・ハイヤン（ラテン語：ゲベル、9世紀）やアブー・バクル・アル・ラーズィー（ラテン語：ラーゼス、 865年頃 - 925年）などの中世イスラム化学者は、さまざまな物質の蒸留について広範囲に実験を行った。有機物質の分留は、ジャービルの著作とされる作品、例えばクレモナのジェラルド（ 1114年頃 - 1187年）がLiber de septuagintaというタイトルでラテン語に翻訳したKitāb al-Sabʿīn （「七十の書」）で重要な役割を果たしている。^[23]ジャビールの動物性および植物性物質、そして程度は低いが鉱物性物質の分留実験は、『錬金術における動物性物質について』の主要テーマである。これはもともとアラビア語で書かれた著作だが、誤ってアヴィセンナの作とされ、ラテン語に翻訳されてロジャー・ベーコン（ 1220年頃 -1292年）にとって最も重要な錬金術の資料となった。^[24]

ワインの蒸留については、アル・キンディー（紀元 801年頃 - 873年頃）とアル・ファーラビー（紀元 872年 - 950年頃）の著作とされるアラビア語の著作、およびアル・ザフラウィー（ラテン語：アブルカシス、936年 - 1013年）の『キターブ・アル・タスリーフ』 （後にラテン語でリベル・セルバトリスと翻訳された）の第28巻に記述がある。^[25] 12世紀には、ワインを塩とともに蒸留してアクア・アルデンス（「燃える水」、すなわちエタノール）を製造する方法がラテン語の多くの著作に登場し始め、13世紀末までには西ヨーロッパの化学者の間で広く知られる物質となった。^[26]タッデオ・アルデロッティ（1223-1296）の著作には、水冷式蒸留器で蒸留を繰り返すことでアルコールを濃縮する方法が記述されており、これにより純度90%のアルコールが得られるとされている。^[27]

考古学的証拠によると、飲料の蒸留は南宋（10世紀～13世紀）と金（ 12世紀～13世紀）の時代に始まった。 ^[22]中国河北省青龍の遺跡で12世紀に遡る蒸留器が発見された。蒸留飲料は元朝（ 13世紀～14世紀）には一般的だった。^[22]

1500年、ドイツの錬金術師ヒエロニムス・ブルンシュヴィヒは、蒸留という主題だけに特化した最初の本である『 Liber de arte distillandi de simplicibus（単純な材料からの蒸留技術の書）』^[28]を出版し、1512年には大幅に拡張されたバージョンが続きました。その直後の1518年に、ヨーロッパで現存する最古の蒸留所であるグリーンツリー蒸留所が設立されました。^[29]

1651年、ジョン・フレンチは蒸留技術^[30]を出版した。これは蒸留に関する最初の主要な英国の概要であるが、[31]その多くはブルンシュヴィッグの研究から派生したものであると主張されている。^これには、作業がベンチスケールではなく工業規模であることを示す人物の図表が含まれている。

錬金術が化学の科学へと発展するにつれ、蒸留にはレトルトと呼ばれる容器が使われるようになった。アレンビックとレトルトはどちらもガラス器具の一種で、長い首が下向きの角度で側面を向いており、空冷式のコンデンサーとして機能して蒸留物を凝縮し、下に滴らせて集める。後に銅製のアレンビックが発明された。リベット接合部は、ライ麦粉で作った生地など、さまざまな混合物を使用してしっかりと固定されることが多かった。^{[32]これらのアレンビックは、くちばしの周りに冷水などを使用する冷却システムが備わっていることが多く、アルコールの凝縮がより効率的になった。これらは}ポットスチルと呼ばれていた。今日では、ほとんどの工業プロセスにおいて、レトルトとポットスチルはより効率的な蒸留方法に大きく取って代わられている。しかし、ポットスチルは、コニャック、スコッチウイスキー、アイリッシュウイスキー、テキーラ、ラム酒、カシャッサ、一部のウォッカなど、高級アルコールの製造に今でも広く使用されています。様々な材料（木、粘土、ステンレス鋼）で作られたポットスチルは、様々な国の密造酒製造者にも使用されています。小型のポットスチルは、フラワーウォーターやエッセンシャルオイルの国内生産^[33]に使用するために販売されています。

初期の蒸留法は、1回の蒸発と1回の凝縮を伴うバッチプロセスでした。凝縮液をさらに蒸留することで純度が向上しました。蒸留を繰り返すだけで、より多くの量を処理できました。化学者は、純粋な化合物を得るために500～600回もの蒸留を行ったと伝えられています。^[34]

19世紀初頭には、予熱や還流などの現代技術の基礎が開発された。^[34] 1822年、アンソニー・ペリエが世界初の連続式蒸留器の一つを開発し、1826年にロバート・スタインがその設計を改良して特許を取得した。1830年、アイニアス・コフィーが設計をさらに改良した特許を取得した。^[35]コフィーの連続式蒸留器は、現代の石油化学装置の原型とみなすことができる。フランスの技術者アルマン・サヴァールは、1846年頃に蒸気調整器を開発した。^{[14] : 323} 1877年、アーネスト・ソルベイは、アンモニア蒸留用のトレイ塔で米国特許を取得し、^[36]同年およびその後数年間に、油やスピリッツに関するこのテーマの開発が行われた。

19世紀末に化学工学が学問として登場したことで、経験的手法ではなく科学的手法を適用できるようになりました。20世紀初頭の石油産業の発展は、アーネスト・ティーレによるマッケイブ・ティーレ法やフェンスキー方程式などの正確な設計手法の開発の原動力となりました。海洋淡水化の手段として蒸留を使用する米国初の工業プラントは、この地域に水の安全保障をもたらすことを期待して、1961年にテキサス州フリーポートに開設されました。^{[37]高性能コンピュータが利用できるようになったことで、蒸留塔の直接}コンピュータシミュレーションが 可能になりました。

蒸留の用途は、実験室規模、工業蒸留、香料や医薬品用のハーブの蒸留（ハーブ蒸留物）、食品加工の 4 つのグループに大別できます。後者の 2 つは、蒸留が真の精製方法として使用されるのではなく、飲料やハーブの加工において原料から すべての揮発性物質を蒸留物に移すために使用されるという点で、前の 2 つとは明確に異なります。

実験室規模の蒸留と工業蒸留の主な違いは、実験室規模の蒸留はバッチベースで行われることが多いのに対し、工業蒸留は連続的に行われることが多いことです。バッチ蒸留では、原料の組成、蒸留化合物の蒸気、留出物が蒸留中に変化します。バッチ蒸留では、供給された原料混合物のバッチが蒸留器に充填（供給）され、次に成分画分に分離され、最も揮発性の高いものから揮発性の低いものの順に収集され、最後に底部（残った最も揮発性の低い画分）が除去されます。その後、蒸留器に原料混合物を再充填して、このプロセスを繰り返すことができます。

連続蒸留では、原料を慎重に補充し、システム内の蒸気と液体の両方から分画を除去することで、原料、蒸気、留出物の組成が一定に保たれます。これにより、分離プロセスをより詳細に制御できます。

液体の沸点とは、液体の蒸気圧が液体の周囲の圧力と等しくなり、泡が潰れることなく形成される温度です。特殊なケースとして、標準沸点があり、液体の蒸気圧が周囲の大気圧と等しくなります。

特定の圧力の液体混合物では、各成分が特定の圧力に対応する沸点で沸騰し、各成分の蒸気が別々に純粋に集まるというのは誤解です。しかし、これは理想的なシステムであっても起こりません。蒸留の理想的なモデルは、基本的にラウールの法則とドルトンの法則によって支配され、蒸気と液体の平衡が達成されていると想定しています。

ラウールの法則は、溶液の蒸気圧は 1) 溶液中の各化学成分の蒸気圧と 2) 各成分が占める溶液の割合、つまりモル分率に依存すると述べています。この法則は、理想溶液、つまり成分は異なるが分子相互作用が純粋溶液と同じか非常に似ている溶液に適用されます。

ドルトンの法則によれば、全圧は混合物中の各成分の部分圧の合計です。多成分液体を加熱すると、各成分の蒸気圧が上昇し、全蒸気圧も上昇します。全蒸気圧が液体の周囲の圧力に達すると、沸騰が起こり、液体全体がガスに変わります。特定の組成を持つ混合物は、成分が相互に溶解する場合、特定の圧力で 1 つの沸点を持ちます。一定の組成を持つ混合物には、複数の沸点はありません。

沸点が 1 つであることの意味は、軽い成分がきれいに「最初に沸騰」することはないということです。沸点では、すべての揮発性成分が沸騰しますが、ある成分の場合、蒸気中のその成分の割合は、総蒸気圧に対するその成分の割合と同じです。軽い成分は分圧が高く、したがって蒸気中に濃縮されますが、重い揮発性成分も (より小さい) 分圧があり、蒸気中の濃度は低くなりますが、必然的に蒸発します。実際、バッチ蒸留と分留は、混合物の組成を変えることで成功します。バッチ蒸留では、バッチが蒸発し、その組成が変わります。分留では、分留塔のより高い液体にはより多くの軽質分が含まれ、より低い温度で沸騰します。したがって、特定の混合物から始めると、沸点ではなく沸点範囲があるように見えますが、これはその組成が変化するためです。中間混合物はそれぞれ独自の単一の沸点を持ちます。

理想化されたモデルは、ベンゼンとトルエンなど、化学的に類似した液体の場合には正確です。その他の場合には、ラウールの法則やドルトンの法則からの大きな逸脱が見られますが、最も有名なのはエタノールと水の混合物です。これらの化合物を一緒に加熱すると、気相と液相に同じ組成が含まれる共沸混合物が形成されます。任意の成分の混合物の挙動を推定するために使用できる計算方法はありますが、正確な気液平衡データを取得する唯一の方法は測定です。

蒸留によって成分の混合物を完全に精製することは不可能です。そのためには、混合物中の各成分の分圧をゼロにする必要があるためです。超高純度の製品が目的の場合は、さらに化学分離を適用する必要があります。2成分混合物が気化され、他の成分（塩など）が実用上分圧がゼロである場合、プロセスはより簡単になります。

2 つの揮発性物質 A と B の理想的な混合物 (A の方が揮発性が高く、沸点が低い) をバッチ蒸留装置 (冒頭の図に示す装置など) で加熱して混合物が沸騰すると、液体の上に A と B の混合物を含む蒸気が発生します。蒸気中の A と B の比率は、液体中の比率とは異なります。液体中の比率は元の混合物の調製方法によって決まりますが、蒸気中の比率はより揮発性の高い化合物 A に富みます (ラウールの法則による、上記参照)。蒸気は凝縮器を通過してシステムから除去されます。つまり、残りの液体中の化合物の比率は最初の比率とは異なります (つまり、開始時の液体よりも B に富む)。

その結果、液体混合物の比率が変化し、成分 B が多くなります。これにより混合物の沸点が上昇し、蒸気の温度が上昇し、気相の A : B の比率が変化します (蒸留が続くと、気相の B の割合が増加します)。その結果、留出液の A : B の比率はゆっくりと変化します。

2 つの成分 A と B の間の蒸気圧の差が大きい場合 (通常は沸点の差として表されます)、蒸留開始時の混合物には成分 A が非常に多く含まれ、成分 A が蒸留されると、沸騰液には成分 B が多く含まれます。

連続蒸留は、液体混合物が連続的に（中断することなく）プロセスに供給され、操作中に時間の経過とともに出力ストリームが発生するにつれて分離された画分が連続的に除去される、進行中の蒸留です。連続蒸留では、少なくとも 1 つの揮発性留出画分を含む、少なくとも 2 つの出力画分が生成されます。この揮発性留出画分は沸騰し、蒸気として別々に捕捉され、その後液体に凝縮されます。常にボトム（または残留物）画分が存在します。これは、凝縮蒸気として別々に捕捉されていない最も揮発性の低い残留物です。

連続蒸留は、濃度が時間とともに変化しないという点でバッチ蒸留とは異なります。連続蒸留は、任意の時間、定常状態で実行できます。特定の組成の任意の原材料について、連続蒸留における製品の純度に影響を与える主な変数は、還流比と理論上の平衡段数であり、実際にはトレイの数または充填物の高さによって決まります。還流は、コンデンサーからカラムに戻る流れであり、これによりリサイクルが生成され、特定の数のトレイでより優れた分離が可能になります。平衡段は、組成が気液平衡を達成し、分離プロセスを繰り返し、還流比が与えられた場合により良い分離を可能にする理想的なステップです。還流比の高いカラムは段数が少ないかもしれませんが、大量の液体が還流されるため、ホールドアップが大きく、カラムが広くなります。逆に、還流比の低いカラムは段数が多くなるため、より高いカラムが必要になります。

バッチ蒸留と連続蒸留はどちらも、蒸留フラスコの上に分留塔を設置することで改善できます。分留塔は、蒸気と凝縮液が接触する表面積を大きくすることで分離を改善します。これにより、できるだけ長く平衡状態を保つことができます。分留塔は、小さなサブシステム (「トレイ」または「皿」) で構成することもできます。これらのサブシステムには、それぞれ独自の蒸気と液体の平衡を持つ、濃縮された沸騰液体混合物が含まれています。

実験室規模の分留塔と工業規模の分留塔には違いがありますが、原理は同じです。実験室規模の分留塔の例（効率の向上）は次のとおりです。

• エアコンデンサー
• Vigreuxカラム（通常は実験室規模のみ）
• 充填カラム（ガラスビーズ、金属片、またはその他の化学的に不活性な材料を充填したもの）
• スピニングバンド蒸留システム。

実験室規模の蒸留は、ほとんどの場合バッチ蒸留として実行されます。蒸留に使用される装置は、蒸留器と呼ばれることもあり、少なくとも、原料を加熱する再沸器またはポット、加熱された蒸気を冷却して液体状態に戻す凝縮器、および留出物と呼ばれる濃縮または精製された液体を収集する受器で構成されます。蒸留には、実験室規模の技術がいくつかあります (蒸留の種類も参照)。

完全に密閉された蒸留装置では、内部圧力が極端に急激に変化する可能性があり、ジョイント部分で破裂するおそれがあります。したがって、通常は、内部圧力が大気圧と等しくなるように、何らかの経路（たとえば、受容器）を開いたままにしておきます。あるいは、真空ポンプを使用して、装置を大気圧より低い圧力に保つこともできます。関係する物質が空気や水分に敏感な場合は、不要な空気成分を除去する材料を詰めた 1 つ以上の乾燥チューブ、または可動の液体バリアとなるバブラーを通じて、大気との接続を行うことができます。最後に、窒素などの適切な不活性ガスを低速で一定の流量で装置内に 送り込むことで、不要な空気成分の侵入を防ぐことができます。

単蒸留では、蒸気はすぐに凝縮器に送られます。その結果、留出物は純粋ではなく、その組成は所定の温度と圧力における蒸気の組成と同一になります。その濃度はラウールの法則に従います。

その結果、単純な蒸留は、液体の沸点が大きく異なる場合（経験則では25℃）^[38]、または液体を非揮発性固体または油から分離する場合にのみ効果的です。これらのケースでは、通常、成分の蒸気圧は十分に異なるため、留出物は意図した目的に十分な純度になる可能性があります。

右側に、単純な蒸留操作の断面図を示します。沸騰フラスコ 2 内の開始液体 15 は、シリコン オイルバス (オレンジ、14) を介して、ホットプレートとマグネティック スターラーの組み合わせ13によって加熱されます。蒸気は短いVigreux カラム3を流れ、次にLiebig コンデンサー5 を通過し、ポート 6 と 7 を循環する水 (青) によって冷却されます。凝縮された液体は、冷却バス (青、16) にある受入フラスコ 8 に滴り落ちます。アダプター 10 には、真空ポンプに取り付けることができる接続部 9 があります。コンポーネントは、すりガラス ジョイントによって接続されています。

多くの場合、混合物中の成分の沸点は十分に近いため、ラウールの法則を考慮する必要があります。したがって、充填された分留塔内で蒸発と凝縮のサイクルを繰り返すことで成分を分離するには、分留を使用する必要があります。連続蒸留によるこの分離は、精留とも呼ばれます。^[39]

精製される溶液が加熱されると、その蒸気は分留塔まで上昇します。蒸気は上昇するにつれて冷却され、凝縮器の壁と充填材の表面で凝縮します。ここで、凝縮液は上昇する熱い蒸気によって加熱され続け、もう一度蒸発します。しかし、新鮮な蒸気の組成は再びラウールの法則によって決まります。各蒸発-凝縮サイクル（理論段と呼ばれる）では、より揮発性の高い成分のより純粋な溶液が生成されます。^[40]実際には、特定の温度での各サイクルは分留塔内の正確に同じ位置で発生するわけではありません。したがって、理論段は正確な説明ではなく概念です。

理論段数が多いほど分離が良くなります。スピニングバンド蒸留システムでは、テフロンまたは金属の回転バンドを使用して上昇する蒸気を下降する凝縮液と密接に接触させ、理論段数を増やします。^[41]

真空蒸留と同様に、水蒸気蒸留は熱に敏感な化合物を蒸留する方法です。^{[1] ：151–153}蒸気の温度は加熱要素の表面よりも制御しやすく、非常に高温に加熱することなく高い熱伝達率を可能にします。このプロセスでは、加熱された原料の混合物に蒸気を泡立てます。ラウールの法則により、対象化合物の一部は（その分圧に応じて）気化します。蒸気混合物は冷却されて凝縮し、通常は油の層と水の層が生成されます。

さまざまな芳香性のハーブや花を水蒸気蒸留すると、エッセンシャル オイルと水っぽいハーブ蒸留液の 2 つの製品が得られます。エッセンシャル オイルは香水やアロマテラピーでよく使用され、水っぽい蒸留液はアロマテラピー、食品加工、スキンケアなどさまざまな用途に使用されています。

化合物の中には、沸点が非常に高いものがあります。このような化合物を沸騰させるには、温度を上げるのではなく、沸騰させる圧力を下げる方がよい場合が多いです。圧力が化合物の蒸気圧（所定の温度）まで下がると、沸騰と残りの蒸留プロセスを開始できます。この技術は真空蒸留と呼ばれ、実験室ではロータリーエバポレーターの形でよく見られます。

この技術は、大気圧下では分解温度を超えて沸騰し、大気圧下で沸騰させようとすると分解してしまう 化合物にも非常に有効です。

分子蒸留は、 0.01 torr未満の圧力での真空蒸留です。 0.01 torr は高真空より 1 桁大きい真空で、流体は自由分子流状態にあります。つまり、分子の平均自由行程は装置のサイズに匹敵します。気相は蒸発する物質に大きな圧力をかけなくなり、その結果、蒸発速度は圧力に依存しなくなります。つまり、流体力学の連続体仮定が適用されなくなるため、物質輸送は流体力学ではなく分子動力学によって決まります。したがって、高温表面と低温表面の間の経路を短くする必要があります。通常は、フィードフィルムで覆われた高温プレートを、その間が視線になるように低温プレートの隣に吊り下げます。分子蒸留は、工業的には油の精製に使用されます。

ショートパス蒸留は、蒸留物が短い距離（多くの場合は数センチメートル）を移動する蒸留技術であり、通常は減圧下で行われる。^{[1] : 150}典型的な例は、2つのチャンバーを分離するコンデンサーを必要とせず、蒸留物が1つのガラス球から別のガラス球に移動する蒸留である。この技術は、高温で不安定な化合物や少量の化合物を精製するためによく使用される。利点は、加熱温度を標準圧力での液体の沸点よりもかなり低くすることができ（減圧下）、蒸留物が凝縮するまでに短い距離を移動するだけであることである。パスが短いため、装置の側面で化合物がほとんど失われない。クーゲルロール装置は、ショートパス蒸留法の一種で、蒸留物留分を収集するために複数のチャンバーを備えていることが多い。

化合物の中には、空気に敏感なだけでなく、沸点が高いものもあります。上記で例示したような単純な真空蒸留システムを使用できます。このシステムでは、蒸留が完了した後に真空を不活性ガスで置き換えます。ただし、減圧状態で分画を収集したい場合は、このシステムはあまり満足のいくものではありません。これを行うには、コンデンサーの端に「牛」または「豚」アダプターを追加します。または、より良い結果を得るために、または空気に非常に敏感な化合物の場合は、パーキン トライアングル装置を使用できます。

パーキンの三角形には、一連のガラス製またはテフロン製のタップを介して、蒸留本体を真空または熱源から取り外すことなく、留分を蒸留器の残りの部分から分離できる手段があり、したがって還流状態を維持できます。これを行うには、サンプルを最初にタップによって真空から分離し、次にサンプル上の真空を不活性ガス（窒素やアルゴンなど）に置き換えてから、ストッパーで止めて取り除きます。次に、新しい収集容器をシステムに追加し、真空にしてタップを介して蒸留システムに再び接続し、2 番目の留分を収集します。これをすべての留分が収集されるまで繰り返します。

ゾーン蒸留は、長い容器内での蒸留プロセスであり、移動する液体ゾーンで精製物質が部分的に溶融し、冷たい領域で凝縮液が引き出される際に蒸気が固相に凝縮します。このプロセスは理論的に機能します。ゾーンヒーターが容器の上部から下部に移動すると、不規則な不純物分布を持つ固体凝縮液が形成されます。次に、凝縮液の最も純粋な部分が製品として抽出されます。このプロセスは、受け取った凝縮液を精製物質のある容器の下部に移動 (反転なし) することで何度も繰り返すことができます。凝縮液の不規則な不純物分布 (つまり、精製の効率) は、反復回数とともに増加します。ゾーン蒸留は、ゾーン再結晶化の蒸留類似物です。凝縮液の不純物分布は、ゾーン再結晶化の既知の式で記述されます (結晶化の分配係数 k を蒸留の分離係数 α に置き換えたもの)。^{[42] [43] [44]}

非凝縮性ガスは、比較的揮発性の高い共溶媒の蒸気によって装置から排出される。この共溶媒は初期のポンピング中に自然に蒸発し、これは通常のオイルポンプまたはダイヤフラムポンプで達成できる。^{[45] [46]}

• 反応蒸留のプロセスでは、反応容器を蒸留器として使用します。このプロセスでは、通常、生成物の沸点は反応物よりも大幅に低くなります。反応物から生成物が形成されると、蒸発して反応混合物から除去されます。この技術は、連続プロセスとバッチ プロセスの比較例です。利点としては、反応容器に出発物質を充填するためのダウンタイムが少なく、後処理が少なくて済むことが挙げられます。「反応物」の蒸留は、反応蒸留に分類できます。これは通常、蒸留原料から揮発性不純物を除去するために使用されます。たとえば、少量の石灰を加えて水から二酸化炭素を除去し、その後、少量の硫酸を加えて 2 回目の蒸留を行い、微量のアンモニアを除去します。
• 触媒蒸留は、反応物を蒸留しながら触媒作用を及ぼし、反応物から生成物を連続的に分離するプロセスです。この方法は、平衡反応が完了するのを助けるために使用されます。
• 浸透気化法は、非多孔性膜を通して液体の混合物を部分的に気化させることによって分離する方法です。
• 抽出蒸留は、混合物中の他の成分と共沸混合物を形成しない、混和性があり、沸点が高く、比較的揮発性のない成分である溶媒の存在下での蒸留として定義されます。
• フラッシュ蒸発（または部分蒸発）は、飽和した液体流が絞り弁またはその他の絞り装置を通過することで圧力が低下するときに発生する部分的な蒸発です。このプロセスは最も単純な単位操作の 1 つであり、平衡段階が 1 つだけの蒸留に相当します。
• 共蒸留は、2 つの化合物が混ざらない混合物に対して行われる蒸留です。実験室では、合成生成物から水を除去するために、ディーン スターク装置が使用されます。ブライドナー装置は、2 つの還流溶媒を使用する別の例です。
• 膜蒸留は、分離する混合物の蒸気を膜に通して、混合物の 1 つの成分を選択的に透過させるタイプの蒸留です。蒸気圧の差が駆動力となります。海水淡水化や有機および無機成分の除去に応用できる可能性があります。

蒸発の単位プロセスは「蒸留」とも呼ばれます。

• 回転蒸発法では、真空蒸留装置を使用してサンプルから大量の溶媒を除去します。通常、真空は水吸引器または膜ポンプによって生成されます。
• クーゲルロール装置では、高沸点（> 300 °C）化合物を蒸留するために、通常、短経路蒸留装置（通常は（高）真空と組み合わせて）が使用されます。この装置は、蒸留する化合物を入れるオーブン、オーブンの外側にある受入部、およびサンプルを回転させる手段で構成されています。真空は通常、高真空ポンプを使用して生成されます。

その他の用途:

• 乾留または破壊蒸留は、その名前にもかかわらず、本当の意味での蒸留ではなく、固体物質を不活性または還元雰囲気で加熱し、高沸点液体と熱分解生成物を含む揮発性画分を収集する熱分解と呼ばれる化学反応です。木材を破壊蒸留してメタノールを生成することが、その一般名である木アルコールの語源です。
• 凍結蒸留は、蒸発の代わりに凍結を使用する類似の精製方法です。これは本当の意味での蒸留ではなく、生成物が母液である再結晶化であり、蒸留に相当する生成物は生成しません。このプロセスは、アイスビールとアイスワインの製造で、それぞれエタノールと糖分含有量を増やすために使用されます。また、アップルジャックの製造にも使用されます。蒸留とは異なり、凍結蒸留は有毒な同族体を除去するのではなく濃縮します。その結果、多くの国が健康対策としてそのようなアップルジャックを禁止しています。また、蒸発による蒸留では、沸点が異なるため、これらを分離することができます。
• 濾過による蒸留: 初期の錬金術と化学、別名自然哲学では、毛細管濾過による「蒸留」が当時の蒸留の一形態として知られていました。この方法では、綿またはフェルトのような素材の「芯」が付いた段付きの台の上に一連のカップまたはボウルが置かれ、各段に水または透明な液体が湿った布を通して毛細管現象によって滴り落ち、液体の「精製」が行われ、上部のボウルに固体物質が残り、湿った布を通して毛細管現象によって次の生成物が精製されます。この方法を使用する人々はこれを濾過による「蒸留」と呼んでいました。

溶液の成分間の相互作用により、溶液固有の特性が生まれます。これは、ほとんどのプロセスが非理想的な混合物を伴うためで、ラウールの法則は当てはまりません。このような相互作用により、純粋な化合物のように動作する定沸点共沸混合物が生じることがあります (つまり、範囲ではなく単一の温度で沸騰します)。共沸混合物では、溶液には特定の成分が蒸気と同じ割合で含まれているため、蒸発しても純度は変化せず、蒸留しても分離は起こりません。たとえば、水中の 95.6%エタノール(質量比) は、78.1 °C で共沸混合物を形成します。

共沸混合物が使用するには純度が十分でないと考えられる場合、共沸混合物を破壊してより純粋な蒸留物を得るための技術がいくつかあります。これらの技術は共沸蒸留として知られています。一部の技術では、共沸混合物の組成を「飛び越える」ことによってこれを実現します（別の成分を追加して新しい共沸混合物を作成するか、圧力を変化させる）。その他の技術では、化学的または物理的に不純物を除去または隔離します。たとえば、エタノールを 95% 以上に精製するには、乾燥剤（または炭酸カリウムなどの乾燥剤）を追加して、可溶性の水を不溶性の結晶水に変換します。この目的では、分子ふるいもよく使用されます。

水とトルエンなどの混ざらない液体は、容易に共沸混合物を形成します。一般に、これらの共沸混合物は、共沸混合物の沸点がいずれかの純粋成分の沸点よりも低いため、低沸点共沸混合物と呼ばれます。共沸混合物の温度と組成は、ラウールの法則を使用しなくても、純粋成分の蒸気圧から簡単に予測できます。蒸留装置では、液液分離器 (デカンター) を使用して、頭上で凝縮される 2 つの液体層を分離することにより、共沸混合物を簡単に破壊できます。2 つの液体層のうちの 1 つだけが蒸留装置に還流されます。

重量比 20 パーセントの塩酸を水に混ぜた混合物など、高沸点の共沸混合物も存在します。名前からわかるように、共沸混合物の沸点は、どちらの純粋な成分の沸点よりも高くなります。

共沸混合物の成分の沸点は重なり合って帯を形成します。共沸混合物を真空または正圧にさらすと、それぞれの異なる蒸気圧曲線を利用して、一方の成分の沸点をもう一方の成分から遠ざけることができます。曲線は共沸点で重なることはありますが、共沸点の両側の圧力軸に沿ってさらに進むと、同じままになることはほとんどありません。この偏りが十分に大きいと、2 つの沸点は重なり合わなくなり、共沸帯は消えます。

この方法では蒸留時に他の化学物質を追加する必要がなくなりますが、2 つの潜在的な欠点があります。

負圧下では、真空源用の電力が必要となり、蒸留物の沸点が低下するため、蒸留物の蒸気が真空源に失われるのを防ぐために、凝縮器をより低温で稼働させる必要があります。冷却需要が増加すると、多くの場合、追加のエネルギーが必要となり、場合によっては新しい機器や冷却剤の変更が必要になります。

あるいは、正圧が必要な場合は、標準的なガラス器具は使用できず、加圧にエネルギーを使用する必要があり、沸騰を起こすのに必要な温度が高くなるため、蒸留中に分解などの副反応が発生する可能性が高くなります。

一方向蒸留は、正または負のいずれかの方向の圧力変化に依存します。

圧力スイング蒸留は、共沸混合物を破壊するために使用される一方向蒸留と本質的に同じですが、ここでは正圧と負圧の両方が使用される場合があります。

これにより蒸留の選択性が向上し、化学者はエネルギーを無駄にする極端な圧力と温度を回避することで蒸留を最適化できます。これは商業用途では特に重要です。

圧力スイング蒸留の応用例の 1 つは、エタノールからの触媒合成後の酢酸エチルの工業的精製です。

大規模な工業用蒸留の用途には、バッチ式と連続式の両方の分留、真空、共沸、抽出、および蒸気蒸留が含まれます。連続式、定常状態の分留蒸留の最も広く使用されている工業用途は、石油精製所、石油化学および化学プラント、天然ガス処理プラントです。

このような工業用蒸留を制御および最適化するために、標準化された実験室方法 ASTM D86 が確立されています。この試験方法は、実験室バッチ蒸留装置を使用して石油製品の常圧蒸留にまで拡張され、石油製品の沸点範囲特性を定量的に判定します。

工業蒸留^{[39] [47]}は、通常、直径が約0.65〜16メートル（2フィート2インチ〜52フィート6インチ）、高さが約6〜90メートル（20〜295フィート）以上の、蒸留塔または蒸留カラムと呼ばれる大型の垂直円筒形のカラムで行われます。原油の蒸留のように、プロセスフィードが多様な組成である場合、カラムの上部に間隔を置いて設置された液体出口により、異なる沸点または沸点範囲を持つさまざまな画分または製品を取り出すことができます。「最も軽い」製品（沸点が最も低いもの）はカラムの上部から排出され、「最も重い」製品（沸点が最も高いもの）はカラムの下部から排出され、しばしばボトムと呼ばれます。

工業用塔では、還流を利用して、より完全な生成物の分離を実現します。還流とは、蒸留塔または分留塔からの凝縮されたオーバーヘッド液体生成物の一部で、典型的な大規模工業用蒸留塔の概略図に示すように、塔の上部に戻されます。塔内では、下向きに流れる還流液が上昇する蒸気を冷却して凝縮し、蒸留塔の効率を高めます。特定の理論段数に対してより多くの還流が提供されるほど、塔はより低沸点物質を高沸点物質からより適切に分離します。逆に、特定の目的の分離に対してより多くの還流が提供されるほど、必要な理論段数は少なくなります。化学技術者は、蒸留塔で精製される製品に対して経済的かつ物理的に実現可能な還流速度と段数の組み合わせを選択する必要があります。

このような工業用分留塔は、極低温 空気分離にも使用され、液体酸素、液体窒素、高純度アルゴンを生産します。クロロシランの蒸留により、半導体として使用する高純度シリコンも生産できます。

蒸留塔の設計と操作は、原料と目的の生成物によって異なります。単純な二成分原料の場合、McCabe-Thiele法^{[39] [48]}やFenske方程式^[39]などの分析法を使用できます。多成分原料の場合、設計と操作の両方にシミュレーションモデルが使用されます。さらに、蒸留塔で使用される気液接触装置 (「プレート」または「トレイ」と呼ばれる) の効率は、理論上の100%効率の平衡段階よりも通常は低くなります。したがって、蒸留塔には理論上の気液平衡段階の数よりも多くのトレイが必要です。トレイの効率を推定するために、さまざまなモデルが提唱されています。

現代の工業用途では、カラム全体の圧力低下を低く抑える必要がある場合、トレイの代わりにカラムに充填材が使用されます。充填材が有利なその他の要因としては、真空システム、小径カラム、腐食性システム、泡立ちやすいシステム、低い液体ホールドアップを必要とするシステム、バッチ蒸留などがあります。逆に、プレートカラムが有利な要因としては、供給物に固形物が存在すること、液体の速度が高いこと、カラムの直径が大きいこと、カラムが複雑であること、供給物の組成に幅広いバリエーションがあること、化学反応を伴うカラム、吸収カラム、基礎重量許容値によって制限されるカラム、液体の速度が低いこと、ターンダウン比が大きいこと、プロセスサージの影響を受けるプロセスなどがあります。

この充填材は、ラシヒリングや構造化シートメタルなどのランダム充填材またはダンプ充填材（幅 25～76 ミリメートル (1～3 インチ)）のいずれかです。液体は充填材の表面を濡らす傾向があり、蒸気はこの濡れた表面を通過し、そこで物質移動が起こります。各トレイが個別の気液平衡点を表す従来のトレイ蒸留とは異なり、充填カラムの気液平衡曲線は連続的です。ただし、充填カラムをモデル化する場合、従来のトレイに対する充填カラムの分離効率を示すために、いくつかの「理論段」を計算すると便利です。形状の異なる充填材は、表面積と充填材間の空隙スペースが異なります。これらの要因は両方とも充填性能に影響します。

充填物の形状と表面積に加えて、ランダム充填物または構造充填物の性能に影響を与えるもう 1 つの要因は、充填床に入る液体と蒸気の分布です。所定の分離を行うために必要な理論段数は、特定の蒸気対液体比を使用して計算されます。液体と蒸気が充填床に入るときに塔の表面積全体に均等に分配されていない場合、充填床の液体対蒸気比は正しくなく、必要な分離は達成されません。充填物は適切に機能していないように見えます。理論段相当高さ(HETP) は予想よりも大きくなります。問題は充填物自体ではなく、充填床に入る流体の不均等な分配にあります。蒸気よりも液体の不均等な分配が問題となることが多いです。充填床に供給物と還流物を導入するために使用される液体分配器の設計は、充填物を最大効率で機能させる上で重要です。充填床に入る液体を均等に分配するための液体分配器の有効性を評価する方法は、参考文献に記載されています。^{[50] [51]}このテーマについては、Fractionation Research, Inc.（通称FRI）によってかなりの研究が行われてきました。^[52]

多重効用蒸留の目的は、淡水化に使用するためのプロセスのエネルギー効率を高めること、または場合によっては超純水の製造の 1 段階での使用です。効用の数は、回収される水の kW·h/m ³の数値に反比例し、単効用蒸留と比較した単位エネルギーあたりの回収水量を指します。1 つの効用は、およそ 636 kW·h/m ³です。

• 記事に記載されているように、多段フラッシュ蒸留では熱エネルギーの投入により 20 以上の効果が得られます。
• 蒸気圧縮蒸発- メーカーによれば、商業用の大規模ユニットは電気エネルギー入力で約 72 の効果を達成できます。

多重効用蒸留プロセスには他にも多くの種類があり、その中には、介在する熱交換器を備えた複数のチャンバーが使用される、単に多重効用蒸留 (MED) と呼ばれるプロセスも含まれます。

炭水化物を含む植物材料を発酵させ、その過程でエタノールの希薄溶液を生成します。ウイスキーやラム酒などの蒸留酒は、これらのエタノール希薄溶液を蒸留して作られます。水、エステル、その他のアルコールなど、エタノール以外の成分は凝縮液に集められ、飲料の風味の元となります。これらの飲料の一部は、より多くの風味化合物と特徴的な風味を得るために、樽やその他の容器に保管されます。

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  化学の初期の頃は、蒸留プロセス専用の実験装置としてレトルトが使用されていました。
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  乾燥した無酸素トルエンを蒸留するための簡単なセットアップ。
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  石油精製所で一般的に使用されている工業規模の真空蒸留塔の図
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  ロータリーエバポレーターは、真空を利用してより低温でより速く溶媒を蒸留することができます。
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  セミマイクロスケール装置を使用した蒸留。継ぎ目のない設計により、部品を合わせる必要がありません。洋ナシ形のフラスコでは、同様の大きさの丸底フラスコと比較して、残留物の最後の一滴まで取り除くことができます。ホールドアップ容量が小さいため、損失を防ぎます。「ピグ」を使用して、さまざまな蒸留物を 3 つの受入フラスコに送ります。必要に応じて、ピグの真空アダプターを使用して真空下で蒸留を行うことができます。

• 原油の常圧蒸留
• クリソス
• 香料抽出
• 低温蒸留
• マイクロ蒸留所
• 昇華
• ディクソンリング
• ランダム列パッキング

• Allchin, FR (1979年3月)。「インド：蒸留の古代の故郷？」Man.14 (1):55–63.doi :10.2307 / 2801640.JSTOR 2801640  。
• Geankoplis, Christie John (2003)。輸送プロセスと分離プロセスの原理（第 4 版）。Prentice Hall。ISBN 978-0-13-101367-4。
• ニーダム、ジョセフ（1980年）。『中国の科学と文明』ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-08573 -X。 

• アルコール蒸留
• ケーススタディ: 石油蒸留
• 「二成分気液平衡データ」（検索可能なデータベース）。化学工学研究情報センター。2007年5 月 5 日閲覧。