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分留塔（または分留カラム）は、液体混合物を揮発性の違いに基づいて構成成分（分画）に分離するために、蒸留に用いられる装置である。分留塔は、小規模な実験室規模の蒸留だけでなく、大規模な工業規模の蒸留にも使用される。
実験室用分留塔は、揮発性の近い液体化合物の気化混合物を分離するために使用されるガラス器具です。最も一般的に使用されるのは、ヴィグリュー塔またはガラスビーズやラシヒリングなどの金属片を充填したストレートカラムです。分留塔は、ラウールの法則に従って混合蒸気を冷却、凝縮、再気化させることで、混合物の分離を助けます。凝縮・気化サイクルごとに、蒸気は特定の成分で濃縮されます。表面積が大きいほどサイクル数が増え、分離効率が向上します。これがヴィグリュー塔または充填分留塔の原理です。回転バンド蒸留は、カラム内の回転バンドを使用して上昇する蒸気と下降する凝縮液を密着させることで、平衡状態をより迅速に達成し、同様の結果を得ます。
典型的な分留では、液体混合物を蒸留フラスコ内で加熱し、発生した蒸気を分留塔内を上昇させます（図1参照）。蒸気は塔内のガラス製トレイ（理論段または理論板と呼ばれる）上で凝縮し、蒸留フラスコに戻って上昇する留出液蒸気を還流させます。最も温度の高いトレイは塔の底部にあり、最も温度の低いトレイは塔の上部にあります。定常状態では、各トレイ上の蒸気と液体は平衡状態に達します。最も揮発性の高い蒸気のみが気体のまま塔の頂上まで上昇し、そこで凝縮器を通過して冷却され、液体留出液に凝縮します。分離効率は、トレイの数を増やすことで向上させることができます（ただし、熱や流量などの実用的な制約があります）。
分別蒸留は化学工学の単位操作の 1 つです。[ 1 ] [ 2 ]分別塔は、大量の液体を蒸留する必要がある化学プロセス産業で広く使用されています。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]このような産業には、石油処理、石油化学製品の製造、天然ガス処理、コールタール処理、醸造、液化空気分離、炭化水素溶剤の製造などがあります。分別蒸留は石油精製所で最も広く使用されています。このような精製所では、原油原料は分離する必要のある複雑な多成分混合物です。一般的に純粋な化学化合物の収率は期待されていませんが、比較的狭い沸点範囲の化合物のグループ、つまり分画の収率は期待されています。このプロセスが分別蒸留または分画という名前の由来です。
蒸留は、最も一般的でエネルギー集約的な分離プロセスの 1 つです。分離の効率は、カラムの高さと直径、カラムの高さと直径の比率、および蒸留カラム自体を構成する材料に依存します。[ 6 ]一般的な化学プラントでは、総エネルギー消費量の約 40% を占めます。[ 7 ]工業用蒸留は通常、直径が約 65 センチメートルから 6 メートル、高さが約 6 メートルから 60 メートル以上である「蒸留塔」または「蒸留カラム」として知られる、大型の垂直円筒形のカラム (図 2 に示す) で行われます。
工業用蒸留塔は通常、連続定常状態で運転されます。原料、熱、周囲温度、または凝縮などの変化によって妨げられない限り、通常、投入される原料の量と除去される製品の量は等しくなります。
リボイラーから供給原料とともに蒸留塔に入る熱量は、塔頂凝縮器から製品とともに除去される熱量と等しくなければなりません。蒸留塔に入る熱量は重要な運転パラメータであり、塔への熱量が過剰または不足すると、泡立ち、液漏れ、同伴、またはフラッディングが発生する可能性があります。
図3は、供給流を留出液と残液の2つの留分に分離する工業用分留塔を示しています。しかし、多くの工業用分留塔には、塔の上部に一定間隔で出口が設けられており、多成分供給流を蒸留する塔から、沸点範囲の異なる複数の製品を取り出すことができます。沸点が最も低い「軽い」製品は塔の上部から、沸点が最も高い「重い」製品は塔の下部から排出されます。
工業用分留塔では、製品の分離を向上させるために外部還流が用いられます。[ 3 ] [ 5 ]還流とは、図3に示すように、凝縮した塔頂液製品の一部が分留塔の上部に戻ることを指します。
塔内部では、下降する還流液が上昇する蒸気を冷却・凝縮することで、蒸留塔の効率を高めます。還流液量が多いほど、あるいはトレイ数が多いほど、低沸点物質と高沸点物質の分離効率が向上します。
分留塔の設計と操作は、供給原料の組成と目的とする生成物の組成に依存します。単純な二成分供給原料の場合、McCabe–Thiele法[ 5 ] [ 8 ] [ 9 ]やFenske方程式[ 5 ]などの分析手法を使用できます。多成分供給原料の場合、設計、操作、および建設のいずれにおいてもシミュレーションモデルが使用されます。
バブルキャップ式の「トレイ」または「プレート」は、工業用分留塔内で上昇する蒸気と下降する液体との良好な接触を確保するために使用される物理的装置の一種である。このようなトレイを図4および図5に示す。
トレイやプレートの効率は、理論上の100%効率平衡段の効率よりも一般的に低い。したがって、分留塔では、理論上の気液平衡段数よりも実際の物理的なプレート数がほぼ常に多く必要となる。
工業用途では、特に真空下での操作など、カラム全体の圧力損失を低く抑える必要がある場合、トレイの代わりに充填材がカラム内に使用されることがあります。この充填材は、ラシヒリングなどのランダム充填材（幅1～3インチまたは2.5～7.6cm ）や、構造化された金属板などが用いられます。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する際に物質移動が起こります。形状の異なる充填材は、表面積や充填材間の空隙率が異なります。これらの要因はいずれも充填材の性能に影響を与えます。