分留塔

分留塔または分留カラムは、液体混合物の蒸留において、揮発性の違いに基づいて混合物をその構成成分または分画に分離するために使用される装置です。分留塔は、小規模な実験室蒸留だけでなく、大規模な工業蒸留にも使用されます。

実験室用分留カラム

実験室の分留塔は、揮発性が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、ビグルー塔、またはガラスビーズやラシヒリングなどの金属片を詰めたストレート塔です。分留塔は、ラウールの法則に従って混合蒸気を冷却、凝縮、再蒸発させることで、混合物を分離するのに役立ちます。凝縮- 蒸発の各サイクルで、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多くなり、分離が向上します。これが、ビグルー塔または充填された分留塔の理論的根拠です。スピニングバンド蒸留は、塔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物を密接に接触させ、より迅速に平衡を達成することで、同じ結果を達成します。

一般的な分留では、液体混合物が蒸留フラスコ内で加熱され、その結果生じた蒸気が分留塔を上昇します (図 1 を参照)。蒸気は塔内のガラスの突起 (理論トレイまたは理論段と呼ばれる) 上で凝縮し、蒸留フラスコに戻って、上昇する留出蒸気を還流します。最も熱いトレイは塔の底にあり、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に達します。最も揮発性の高い蒸気だけが上部までガス状のまま残り、そこで凝縮器を通過して蒸気を冷却し、液体留出物にします。トレイをさらに追加することで (熱、流量などの実際的な制限に従って) 分離を強化できます。

工業用分留塔

分留は化学工学の単位操作の1つです。^[1]^[2]大量の液体を蒸留しなければならない化学プロセス産業では、分留塔が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、炭化水素溶剤製造などがあります。分留は石油精製所で最も広く応用されています。このような精製所では、原油原料は分離しなければならない複雑な多成分混合物です。純粋な化合物の収量は一般に期待されていませんが、比較的狭い沸点範囲内の化合物群（留分とも呼ばれます）の収量は期待されています。このプロセスが、分留または分留という名前の由来です。

蒸留は、最も一般的でエネルギーを大量に消費する分離プロセスの 1 つです。分離の有効性は、カラムの高さと直径、カラムの高さと直径の比率、蒸留カラム自体を構成する材料によって異なります。^[6]一般的な化学工場では、蒸留は総エネルギー消費量の約 40% を占めます。^[7]工業蒸留は、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 メートル以上の「蒸留塔」または「蒸留カラム」と呼ばれる大型の垂直円筒カラム (図 2 参照) で行われます。

工業用蒸留塔は通常、連続した定常状態で稼働します。供給物、熱、周囲温度の変化、または凝縮による影響がない限り、追加される供給物の量は通常、取り出される製品の量と等しくなります。

リボイラーから供給物とともにカラムに入る熱量は、オーバーヘッドコンデンサーによって除去される熱量と製品によって除去される熱量と等しくなければなりません。蒸留カラムに入る熱は重要な動作パラメータであり、カラムに過剰な熱または不十分な熱が加わると、泡立ち、滲出、エントレインメント、または浸水が発生する可能性があります。

図 3 は、供給ストリームを 1 つの留出分と 1 つのボトム分に分離する工業用分留塔を示しています。ただし、多くの工業用分留塔には、複数の成分を含む供給ストリームを蒸留する塔から、沸点範囲の異なる複数の製品を取り出せるように、塔の上部に間隔を置いて出口があります。最も沸点の低い「最も軽い」製品は塔の上部から排出され、最も沸点の高い「最も重い」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を使用しています。^[3]^[5]還流とは、図3に示すように、分留塔の上部に戻る凝縮されたオーバーヘッド液体製品の一部を指します。

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冷却して凝縮し、蒸留塔の効率を高めます。還流液やトレイの数が多いほど、塔内での低沸点物質と高沸点物質の分離が良好になります。

分留塔の設計と操作は、原料の組成と目的の製品の組成によって異なります。単純な二成分原料の場合、McCabe-Thiele法^[5]^[8]^[9]やFenske方程式^[5]などの分析法を使用できます。多成分原料の場合、設計、操作、構築のすべてに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「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実現するために使用される物理装置の一種です。このようなトレイは、図 4 および 5 に示されています。

トレイまたはプレートの効率は、通常、理論上の 100% 効率の平衡段階の効率よりも低くなります。したがって、分留塔では、ほとんどの場合、理論上の気液平衡段階の必要数よりも多くの実際の物理的なプレートが必要になります。

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、カラム全体の圧力損失を低く抑える必要がある場合に使用されます。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ダンプ充填材（幅 1～3 インチまたは 2.5～7.6 cm）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。異なる形状の充填材は、表面積と充填材間の空隙が異なります。これらの要因は両方とも充填材の性能に影響します。

参照

参考文献

^ クロシュヴィッツ、ジャクリーン; ザイデル、アルザ (2004)。カーク・オスマー化学技術百科事典(第 5 版)。ニュージャージー州ホーボーケン: ワイリー・インターサイエンス。ISBN 0-471-48810-0。
^ スミス、ジュリアン、マッケイブ、ウォーレン、ハリオット、ピーター (2004)。化学工学のユニット操作(第 7 版)。マグロウヒル。ISBN 0-07-284823-5。
^ ab 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。
^ キング、CJ (1980)。分離プロセス（第2版）。マグロウヒル。ISBN 0-07-034612-7。
^ abcd 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。
^ 「蒸留塔」。Brewhaus 。 2015年9月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年8月4日閲覧。
^ Felder, R.; Roussea, W. (2005).化学プロセスの基本原理（第3版）. Wiley. ISBN 978-0-471-68757-3。
^ 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。

外部リンク

石油・ガスにおける蒸留塔の使用
ヴィグルーの柱を含むガラス製品の図面
蒸留理論、Ivar J. Halvorsen および Sigurd Skogestad、ノルウェー科学技術大学、ノルウェー
蒸留入門ミン・タム（ニューカッスル大学、英国）
蒸留アーカイブ 2014-07-13ウェイバックマシンで、蒸留グループ (米国) により保存
蒸留シミュレーションソフトウェア
高校生向けに分留について解説

[1] クロシュヴィッツ、ジャクリーン; ザイデル、アルザ (2004)。カーク・オスマー化学技術百科事典(第 5 版)。ニュージャージー州ホーボーケン: ワイリー・インターサイエンス。ISBN 0-471-48810-0。

[2] スミス、ジュリアン、マッケイブ、ウォーレン、ハリオット、ピーター (2004)。化学工学のユニット操作(第 7 版)。マグロウヒル。ISBN 0-07-284823-5。

[Kister-3] 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。

[4] キング、CJ (1980)。分離プロセス（第2版）。マグロウヒル。ISBN 0-07-034612-7。

[Perry-5] 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。

[6] 「蒸留塔」。Brewhaus 。 2015年9月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年8月4日閲覧。

[7] Felder, R.; Roussea, W. (2005).化学プロセスの基本原理（第3版）. Wiley. ISBN 978-0-471-68757-3。

[Beychok-8] Beychok, Milton (1951 年 5 月)。「McCabe-Thiele 図の代数的解法」。Chemical Engineering Progress。

[SeaderHenley-9] 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。