蒸留装置とは
蒸留装置とは、沸点の違いにより混合物から単一成分を取り出す装置です。
実験室レベルの蒸留は、何度も蒸発と凝縮を繰り返して分離を行いますが、工業レベルでは蒸留塔とよばれる連続的に蒸留が可能な装置が用いられています。酒類の蒸留では、一度蒸発と凝縮をするだけの単蒸留と呼ばれる蒸留方法が使用されます。
蒸留装置の使用用途
蒸留装置はさまざまな産業分野で使用されています。以下にそのいくつかの使用用途を紹介します。
1. 石油精製
原油はさまざまな成分から成り立っていますが、それらを分離するために蒸留装置が使われます。異なる沸点を持つ成分は、蒸留装置によって分離され、異なる製品として利用されます。
2. アルコール製造
アルコールの製造でも蒸留装置は重要な役割を果たします。発酵によって得られた液体を蒸留して、アルコールを高濃度で得ることができます。
3. 製薬業界
製薬業界では、有効成分を抽出したり、不純物を取り除いたりするために蒸留装置が使われます。これにより、薬品の品質を確保できます。
蒸留装置の原理
蒸留装置の構成要素は、蒸留塔、凝縮器、蒸発缶、流量調整弁などです。蒸発缶で蒸留対象の液体を蒸発させ、蒸留塔に送られます。蒸留塔では連続的に蒸留を行い、分離した液体は再び蒸発缶へ輸送され、分離した気体は凝縮器へ輸送されます。凝縮器では冷却水などによって冷却され、分離された気体が液化されて分離されます。
蒸留塔の構造は、棚段塔と充填塔の2つです。棚段塔は内部がトレイと呼ばれる棚段で仕切られており、各段で気体と液体が接触するようになっており、分離が行われます。充填塔は内部に充填物が上側が不規則に、下側が規則正しく詰められています。充填物により液体の表面積が大きくなることで、気体と液体がより接触しやすくなり蒸留の効率が高まります。また、圧力損失が棚段式に比べて少ないことが特徴です。
蒸留装置の選び方
蒸留装置の選定の際には、蒸留対象物の沸点や融点に十分対応できるかどうかの強度、蒸留対象物への耐久性があるか、サイズや蒸留速度などを考慮する必要があります。
蒸留装置は実験室レベルでは、フラスコとバーナー、冷却管の構成になっていますが、工業レベルではその規模が大きくなります。処理量が多く、目的の純度まで精製する必要があるため、フラスコを何段も重ねたような蒸留塔で連続蒸留を行います。
蒸留装置では目的生成物を得るために、蒸留塔の低沸点成分、高沸点成分の中でキーになる成分を決めて、蒸留塔を設計しているので、その成分の沸点が制御温度です。蒸留装置で処理する流体の組成によっては、腐食などに強い材質を選定する必要があります。費用面から材質のクオリティーを落とす場合は、防食用のケミカルを注入するなど対策を取らなければければなりません。
蒸留装置のその他情報
1. 蒸留装置の使い方
蒸留装置は実験室レベルのものであれば、ガラス器具で組み立てます。装置構成は、原料を仕込むフラスコ、蒸気を冷却する冷却管、温度計、ヒーター (バーナー) 、保温剤、低沸点成分を受け入れるビーカーです。また、攪拌混合が必要であれば、スターラーを設置します。
蒸留操作では、フラスコに仕込んだ原料を温めるために、ヒーターの温度を設定します。バーナーを使用するのであれば、火炎を出して温度計を確認しながら調整を行います。
冷却管への水の導入は、フラスコから遠い側の導入口から流し入れます。これは、向流の方が並流より同じ冷却管の大きさで効率的に冷却できるからです。実験室スケールの装置の場合、外気の温度の影響を受けやすいので、蒸気が通る配管部分の保温も重要です。
2. 蒸留を行う上での注意点
蒸留装置を設計する上で、温度計の測定位置は重要です。塔内の気液のどの部分を測定しているかによって、温度が異なるたため、ヒーター制御につなぐ温度計の測定位置が異なると、蒸留塔そのものの分離に影響してきます。
また、コンデンサー (冷却器) に流す冷却水の温度にも注意が必要です。冷却水に海水を使用する場合は、夏場は目的温度まで冷却できなくなる恐れがあります。そのため、冷却装置で温度コントロールされた冷却水を利用するのが理想的です。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/kakyoshi/66/6/66_300/_pdf
https://www.kce.co.jp/tec-info/distillation/distillation-facility.html
https://www.nikkaki.co.jp/products/about_plant
https://www.kiriyama.co.jp/dcms_media/other/