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分別凍結は、プロセス工学や化学において、融点の異なる物質を分離するために用いられるプロセスです。これは、例えばシリコンや金属のゾーン精製のように固体を部分的に融解させることによって、あるいは凍結蒸留（通常凍結または漸進凍結とも呼ばれる）のように液体を部分的に結晶化させることによって行われます。このようにして、初期サンプルは分画（複数の成分に分離）されます。
部分結晶化は、混合物に希薄溶媒を加え、溶媒を蒸発させることで混合物を冷却・濃縮することによっても達成できます。このプロセスは溶液結晶化と呼ばれます。[ 1 ]分別凍結は、一般的に超高純度固体の製造や熱に弱い液体の濃縮に使用されます。
凍結蒸留は、厳密には蒸留ではなく、凝縮の一種です。[ 2 ]凍結した固体を取り除き、残った液体から溶解した物質を分離します。これは、蒸発して再凝縮された画分が濃縮される真の蒸留に似ています。
エタノールと液体の水は完全に混和しますが、エタノールは氷にはほとんど溶けません。つまり、エタノールと水の混合液を十分に冷却すると、ほぼ純粋な氷を析出させることができます。この混合液から氷が析出すると、残りの液相中のエタノール濃度が高まります。その後、2つの相はろ過またはデカンテーションによって分離できます。氷が析出する温度はエタノール濃度に依存します。したがって、特定の温度とエタノール濃度では、特定の比率の水氷と特定のエタノール濃度を持つ濃縮エタノール溶液で凍結プロセスが平衡に達します。これらの相平衡の温度と混合比は、エタノールと水の相図から読み取ることができます。液相中のエタノール濃度が最大になるのは、エタノールと水の共晶点、つまり約92.4重量％のエタノールが-123 ℃のときです。[ 3 ]
最もよく知られている凍結蒸留飲料は、アップルジャックとアイスビールである。アイスワインも同様の製法で作られるが、この場合は発酵の前に凍結が行われるため、濃縮されるのはアルコールではなく糖分である。
純粋な固体が必要な場合、2つの状況が考えられます。不純物が目的の固体に溶解する場合は、多段蒸留と同様に、多段階の分別凍結が必要です。一方、共晶系（蒸留における共沸混合物に相当）が形成される場合は、液体が共晶組成（混合固体が形成され、分離が困難になる場合がある）または共晶組成以上（望ましくない固体が形成される）でない限り、非常に純粋な固体を回収できます。
液体の濃縮が必要な場合、分画凍結はその簡便さから有用です。また、分画凍結は、液体を加熱する必要がないため（蒸発時とは異なり）、果汁濃縮液やその他の熱に弱い液体の製造にも用いられます。
分画凍結は海水の脱塩に利用できます。海氷で自然に起こるプロセスでは、凍結した塩水が部分的に融解すると、塩分濃度がはるかに低い氷が残ります。塩化ナトリウムは水の融点を下げるため、海水中の塩分は凍結中に純水から押し出され、これを塩水除去と呼びます。高塩分濃度の水からなる大きな湖（ポリニア）が氷塊の中央に形成され、水はやがて底に沈みます。同様に、塩分濃度が最も高い凍結水が最初に融解します。どちらの方法でも残った凍結水の塩分濃度が低下し、複数回繰り返すことで飲用可能な水が得られます。
分別凍結は、発酵アルコール飲料のアルコール濃度を高める簡単な方法として利用でき、凍結蒸留と呼ばれることもあります。例としては、ハードサイダーから作られるアップルジャックやアイスビールなどがあります。実際には、蒸留に匹敵するアルコール濃度を得ることはできませんが、この技術は、実用的な蒸留装置に必要な労力よりもはるかに少ない労力で、ある程度の濃度を達成できます。アルコール飲料の分別凍結の危険性は、（加熱）蒸留とは異なり、不純物を取り除かないことです。そのため、分別凍結は、飲料の総量に対する不純物の比率を高める可能性があります（ただし、エタノールの量に対する不純物の比率は必ずしも高まりません）。この濃度は、飲酒者に副作用を引き起こし、激しい二日酔いや「アップル麻痺」[ 4 ]と呼ばれる状態につながる可能性があります（ただし、この用語は、特にアップルジャックによる酩酊[ 5 ]を指すためにも使用されています[ 6 ]）。
分画凍結は、バイオディーゼルやその他の代替ディーゼル燃料のゲル化点を下げるための簡便な方法として一般的に用いられています。この方法では、低温濾過などの方法により、ゲル化点の高いエステルとゲル化点の低いエステルを分離し、燃料混合物のゲル化点を下げます。このプロセスでは、燃料の層状化を利用します。燃料混合物中の成分は、それぞれのゲル化点に近づくにつれて比重が高くなり、容器の底に沈殿するため、そこから除去することができます。