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分留とは、混合物をその構成成分、つまりフラクションに分離すること です。化合物は、混合物の 1 つ以上のフラクションが蒸発する温度まで加熱することで分離されます。分留には蒸留が使用されます。通常、構成成分の沸点は、1気圧の圧力下で互いに 25 °C (45 °F) 未満しか差がありません。沸点の差が 25 °C を超える場合は、通常、単蒸留が使用されます。
原油蒸留装置は、原油を精製する過程で分留を利用します。
歴史
有機物質の分留は、イスラムの錬金術師ジャービル・イブン・ハイヤーン作とされる9世紀の著作で重要な役割を果たしており、例えば『Kitāb al-Sabʿīn（七十の書）』は、クレモナのジェラルド（1114年頃-1187年）によってLiber de septuagintaという題でラテン語に翻訳されている。[1]動物性物質と植物性物質、そしてそれほどではないが鉱物性物質の分留に関するジャービルの実験は、『錬金術における動物性について』の主要なテーマを形成した。これはもともとアラビア語で書かれた著作で、誤ってアヴィセンナ作とされ、ラテン語に翻訳され、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。[2]
研究室のセットアップ
実験室での分留では、ブンゼンバーナー、丸底フラスコ、コンデンサー、および専用分留塔などの一般的な実験用ガラス器具と装置が使用されます。
例として、水とエタノールの混合物の蒸留を考えてみましょう。エタノールの沸騰温度は 78.4 °C (173.1 °F) ですが、水の沸騰温度は 100 °C (212 °F) です。そのため、混合物を加熱すると、最も揮発性の高い成分 (エタノール) が液体から出る蒸気中にさらに濃縮されます。混合物によっては共沸混合物が形成され、どちらの成分よりも低い温度で沸騰します。この例では、 96% のエタノールと4%の水の混合物は78.2 °C (172.8 °F) で沸騰します。この混合物は純粋なエタノールよりも揮発性があります。このため、エタノールと水の混合物を直接分留しても、エタノールを完全に精製することはできません。
装置は図のように組み立てます。(図は連続装置ではなくバッチ装置を表しています。) 混合物を、突沸防止用の顆粒数個(または磁気撹拌を使用する場合はテフロン加工した磁気撹拌棒)と一緒に丸底フラスコに入れ、上部に分留塔を取り付けます。分留塔は、熱源を蒸留釜の底部に設置します。蒸留釜からの距離が長くなるにつれて、塔内に温度勾配が形成され、上部が最も冷たく、下部が最も熱くなります。混合蒸気が温度勾配を上るにつれて、蒸気の一部が温度勾配に沿って凝縮し、蒸発します。蒸気が凝縮し蒸発するたびに、蒸気中のより揮発性の高い成分の組成が増加します。これにより、塔の長さに沿って蒸気が蒸留され、最終的に蒸気はより揮発性の高い成分(または共沸混合物)のみで構成されます。蒸気はカラム内のトレイと呼ばれるガラス製のプラットフォーム上で凝縮し、下の液体に戻って還流留出物となります。熱量と分留に必要な時間の観点から見た効率は、ウール、アルミホイル、またはできれば真空ジャケットなどの断熱材でカラムの外側を断熱することで改善できます。最も熱いトレイは下部にあり、最も冷たいトレイは上部にあります。定常状態では、各トレイの蒸気と液体は平衡状態にあります。混合物の最も揮発性の高い成分は、カラムの上部からガスとして出ます。次に、カラム上部の蒸気はコンデンサーに入り、そこで液化するまで冷却されます。トレイを追加すると（熱、流量などの実際的な制限まで）、より純粋な分離が行われます。最初は、凝縮液は共沸組成に近くなりますが、エタノールの大部分が除去されると、凝縮液は徐々に水分を多く含むようになります。[要出典]このプロセスは、混合物からエタノールがすべて沸騰するまで続きます。この時点では、温度計に表示される温度が急激に上昇します。
上記の説明は、分留の理論的な仕組みを反映しています。通常の実験室分留カラムは、単純なガラス管（多くの場合真空ジャケット付き、場合によっては内部が銀メッキ）で、充填材（多くの場合直径 4 ～ 7 ミリメートル（0.16 ～ 0.28 インチ）の小さなガラスらせん）が入っています。このようなカラムは、既知の混合システムの蒸留によって較正し、理論上のトレイの数でカラムを定量化できます。分留を改善するために、装置は、何らかの還流スプリッター（還流ワイヤ、ガゴ、磁気スイングバケットなど）を使用して凝縮液をカラムに戻すように設定されています。通常の慎重な分留では、還流比は約 4:1（戻される凝縮液 4 部に対して取り出される凝縮液 1 部）になります。
実験室での蒸留では、一般的にいくつかのタイプのコンデンサーが使用されています。リービッヒコンデンサーは、ウォータージャケット内の単純な直管で、最も単純な (そして比較的安価な) コンデンサーです。グラハムコンデンサーはウォータージャケット内の螺旋管で、アリンコンデンサーは管の内側に一連の大小の狭窄部があり、それぞれが蒸気成分が凝縮する表面積を増やします。
代替セットアップでは、マルチ出口蒸留受器フラスコ (「カウ」または「ピグ」と呼ばれる) を使用して、3 つまたは 4 つの受器フラスコをコンデンサーに接続します。カウまたはピグを回転させることにより、蒸留物を任意の受器に流すことができます。蒸留プロセス中に受器を取り外して交換する必要がないため、このタイプの装置は、空気に敏感な化学物質を不活性雰囲気下で蒸留する場合や減圧する場合に便利です。パーキン トライアングルは、このような状況でよく使用される代替装置です。この装置では、受器をシステムの残りの部分から分離できますが、各フラクションごとに 1 つの受器を取り外して再接続する必要があります。
真空蒸留システムは減圧状態で稼働するため、物質の沸点が下がります。 しかし、減圧状態では突沸防止顆粒は効果がありません。
工業用蒸留
分留は、石油精製所、石油化学・化学工場、天然ガス処理、極低温空気分離工場で使用される分離技術の最も一般的な形態です。 [3] [4]ほとんどの場合、蒸留は連続 定常状態で操作されます。新しい原料が常に蒸留塔に追加され、生成物が常に除去されています。原料、熱、周囲温度の変化、または凝縮によってプロセスが妨げられない限り、追加される原料の量と除去される生成物の量は通常同じです。これは、連続定常分留として知られています。
工業蒸留は、通常、「蒸留塔または分留塔」または「蒸留塔」と呼ばれる、直径が約 0.65 ～ 6 メートル (2 ～ 20 フィート)、高さが約 6 ～ 60 メートル (20 ～ 197 フィート) 以上の大型の垂直円筒形の塔で行われます。蒸留塔には、塔の上部に間隔を置いて液体出口があり、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。塔内の製品の温度を上げることで、さまざまな製品が分離されます。「最も軽い」製品 (沸点が最も低いもの) は塔の上部から排出され、「最も重い」製品 (沸点が最も高いもの) は塔の下部から排出されます。
たとえば、分留は石油精製所で原油を異なる沸点の炭化水素を含む有用な物質（または留分）に分離するために使用されます。沸点の高い原油留分は次のようになります。
大規模な工業用塔では、より完全な生成物の分離を達成するために還流が使用されています。 [5]還流とは、典型的な大規模な工業用蒸留塔の概略図に示されているように、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が塔の上部に戻されることを意味します。塔内では、下向きに流れる還流液が、上向きに流れる蒸気を凝縮するために必要な冷却を提供し、それによって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。
分留は空気の分離にも使用され、液体酸素、液体窒素、高濃度アルゴンを生産します。クロロシランの蒸留により、半導体として使用される高純度シリコンも生産できます。
工業用途では、カラム内でトレイの代わりに充填材が使用されることがあります。特に、真空下で操作する場合など、カラム全体の圧力降下が低いことが求められる場合に使用されます。この充填材は、ラシヒ リングなどのランダム ダンプ充填材 (幅 1 ～ 3 インチ (25 ～ 76 mm))または構造化シート メタルのいずれかです。代表的な製造元は、Koch、Sulzer、およびその他の会社です。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、充填カラム内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、従来のトレイに関する充填カラムの分離効率を示すために、複数の「理論段」を計算すると便利です。形状の異なる充填材は、表面積と多孔度が異なります。これらの要因は両方とも充填性能に影響します。
工業用蒸留塔の設計
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[4] [6] [7]やFenske方程式[4]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% 効率の平衡段階の効率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プレートが必要になります。
還流とは、塔に戻される凝縮されたオーバーヘッド製品の一部を指します。下向きに流れる還流は、上向きに流れる蒸気を凝縮するために必要な冷却を提供します。還流比、つまり（内部）還流とオーバーヘッド製品の比率は、蒸留製品の効率的な分離に必要な理論段数と逆に関係しています。分留塔またはカラムは、必要な分離を効率的に達成するように設計されています。分留カラムの設計は通常、プロセス設計とそれに続く機械設計の 2 つの段階で行われます。プロセス設計の目的は、還流比、熱還流、およびその他の熱負荷を含む、必要な理論段数とストリーム フローを計算することです。一方、機械設計の目的は、塔の内部構造、カラムの直径、および高さを選択することです。ほとんどの場合、分留塔の機械設計は簡単ではありません。塔の内部構造を効率的に選択し、カラムの高さと直径を正確に計算するには、多くの要因を考慮する必要があります。設計計算に関係する要素には、供給負荷のサイズと特性、および使用される蒸留塔の種類が含まれます。
使用される蒸留塔には、主にトレイ塔とパッキング塔の 2 種類があります。パッキング塔は通常、小型塔や腐食性または温度に敏感な負荷、または圧力降下が重要な真空サービスに使用されます。一方、トレイ塔は液体負荷が高い大型塔に使用されます。トレイ塔が初めて登場したのは 1820 年代です。ほとんどの石油精製作業では、トレイ塔は主に石油精製のさまざまな段階で石油留分を分離するために使用されます。
石油精製業界では、分留塔の設計と操作は、依然として主に経験に基づいて行われています。石油分留塔の設計に伴う計算には、通常、数値チャート、表、複雑な経験式の使用が必要です。しかし、近年、分留のための効率的で信頼性の高いコンピュータ支援設計手順を開発するためのかなりの作業が行われています。[8]
参照
参考文献
- ^ ポール・クラウス(1942–1943)。ジャビル・イブン・ハイヤン: イスラム教の科学史への貢献。 I. Le corpus des écrits jâbiriens。 II.ジャビルと科学のギリシャ。カイロ: Institut Français d'Archéologie Orientale。ISBN 9783487091150. OCLC 468740510.第2巻、5ページ。ラテン語訳がクレモナのジェラルドによるものであることに関しては、チャールズ・バーネット（2001年）「12世紀トレドにおけるアラビア語-ラテン語翻訳プログラムの一貫性」を参照。サイエンス・イン・コンテクスト。14 （1–2）：249–288。doi ：10.1017/S0269889701000096。S2CID 143006568 。p. 280; Moureau, Sébastien (2020). 「Min al-kīmiyāʾ ad alchimiam. 中世におけるアラブ・イスラム世界からラテン西欧への錬金術の伝承」Micrologus . 28 : 87–141. hdl :2078.1/211340.106、111ページ。
- ^ ニューマン、ウィリアム R. (2000)。「錬金術、分析、実験」。ホームズ、フレデリック L. ;レヴェア、トレバー H. (編)。化学史における機器と実験。ケンブリッジ: MIT 出版。pp. 35–54。ISBN 9780262082822。44ページ。
- ^ キスター、ヘンリー Z. (1992)。蒸留設計（第 1 版）。マグロウヒル。ISBN 0-07-034909-6。
- ^ abc ペリー、ロバート H.; グリーン、ドン W. (1984)。ペリーの化学技術者ハンドブック(第 6 版)。マグロウヒル。ISBN 0-07-049479-7。
- ^ 「Reflux drum」. Alutal . 2020年9月18日閲覧。
- ^ Beychok, Milton (1951 年 5 月)。「McCabe-Thiele 図の代数的解法」。Chemical Engineering Progress。
- ^ Seader, JD; Henley, Ernest J. (1998).分離プロセスの原則. ニューヨーク: Wiley. ISBN 0-471-58626-9。
- ^ イブラヒム、ハッサン・アル・ハジ (2014)。「第 5 章」。ベネット、ケリー (編)。Matlab : 実務エンジニア向けアプリケーション。Sciyo。pp. 139–171。ISBN 978-953-51-1719-3。