蒸留、ストリッピング、抽出カラムの違い

化学製品の製造過程では、プロセス要件を満たす化学製品や中間製品を得るために、原料、中間製品、粗製品を分離する必要があることが多い。化学工業における一般的な分離プロセスには、蒸留、吸収、抽出、乾燥、晶析などがある。

1.蒸留

蒸留のプロセスとは？

蒸留は、液体混合物を分離するための典型的な操作であり、最も広く使用されている。

液体成分を分離する蒸留方法は加熱である。それぞれの液体成分には沸点と揮発性がある。加熱はこれらの物質を徐々に沸点まで上昇させ、蒸気に変えることで元の液体混合物から取り除く。混合液は徐々に沸騰するため、沸点が最も低い成分が最初に除去されやすい。

例えば、水は華氏212度で沸騰するが、エタノールは華氏173度で沸騰する。水とエタノールの混合物を華氏195度に加熱することで、エタノールを液体から蒸気に変え、混合物から効果的に除去することができる。

蒸留プロセスは、カラム-原料を保持し、加熱し、揮発成分を凝縮させ、分離した成分を回収するように設計された装置-で行われる。最も単純な形として、蒸留装置には3つの基本的な構成要素がある：

カラム：カラムはフィードを入れる容器で、フィードは容器の中央に導入される。容器は、気化した成分（蒸留物としても知られる）を通過させる排出源に接続されている。カラムには、トレイやパッキンなど、飼料の成分をさらに分離して純度を向上させるための他の部品もいくつか含まれている。

凝縮器：凝縮器はカラムの上部にある。蒸気を冷却して液体の流れに戻し、リターンタンクと呼ばれる別の容器に集める。気化し凝縮した成分から生じる液体の流れ（還流と呼ばれる）は、カラムに再循環される。

リボイラー：リボイラーと呼ばれる熱源が、カラム内の混合物を適切な温度まで加熱する。

蒸留塔のサイズと直径、塔内の圧力レベル、混合物を加熱・冷却する温度は、飼料そのものと目的とする製品の化学的性質によって異なる。これらの変数のすべてが、処理される飼料の種類に応じた蒸留塔の構造を決定する。その結果、蒸留塔は上記の単純な塔よりもかなり複雑になる可能性がある。

蒸留塔の主な機能は何ですか？

蒸留塔は、チタン、チタン合金材などのレアメタルでできている。高強度、高靭性、耐高温性、耐食性、比重が軽いなどの特徴がある。蒸留塔は化学、石油化学、冶金、軽工業、繊維、アルカリ、医薬、農薬、電気メッキ、電子などの分野で広く使われている。例えば、ガソリン、灯油、軽油、重油は原油の蒸留によって得ることができ、ベンゼン、トルエン、キシレンは混合芳香族の蒸留によって得ることができ、純粋な液体酸素と液体窒素は液体空気の蒸留によって得ることができる。

2.ストリップ

ストリッピング・プロセスとは？

ストリッピングは物理的プロセスであり、空気媒体を用いて元の気液二相平衡を破壊し、新しい気液平衡状態を確立する。すると、分圧の低下により溶液中のある成分が脱離し、物質の分離が達成される。例えば、Aは液体、Bは気体であり、BはAに溶解して気液平衡を達成し、気相はBの気相に支配される。気相剥離媒体Cを添加すると、気相中のAとBの分率が低下し、気液平衡が崩れ、物質AとBは気相に拡散する。しかし、気相はBが支配的であるため、新たな平衡関係が成立しやすく、多量のB媒体が気相に拡散し、気液相分離の目的が達成される。ストリッピングの程度は、ストリッピング媒体の量をコントロールすることによって制御することができる。

ストリッピングと蒸留の違いは何ですか？

ストリッピングと蒸留の主な違いは、供給成分を分離するために使用される方法である。蒸留は熱を利用して揮発性物質を沸騰させて蒸気にし、凝縮させて除去するのに対し、ストリッピングは吸収の原理を利用する。

吸収とは、バルク相（液体または固体）の分子が気体物質に吸収される化学プロセスである。吸収をストリッピングに応用する場合、技術者は液体の分子を吸収する気体として水蒸気を使用する。ストリッパーでは、フィードから分離された液体分子は水蒸気に吸収される。

すべての汚染物質除去カラムは同じ原理で作動する。すなわち、カラムの設計により、供給物から成分を徐々に分離して回収・除去する。蒸留とストリッパー法は似ていますが、いくつかの重要な点で異なります。

蒸留はカラムの中間にフィードを導入するが、ストリッピング法はストリッパーの上部にフィードを導入する。ストリッパーの下部からはガス状の沸騰水蒸気のみが導入されます。スチームとフィードがカラムの反対側の端から導入されるため、これは向流設計と呼ばれる。

フィードが塔頂から流下する際、スチームとフィードの接触面積を増やすように設計された多孔性パッキンまたはトレイをフラッシュします。スチームがフィードに導入されると、沸点の低い揮発性物質はスチームと接触して最初にスチームに吸収されます。沸点の高い揮発性物質はこのプロセスを経ませんが、水溶性が低い場合は、やはり蒸気に吸収され、蒸気と共に除去されます。

吸収された化合物を含む蒸気は頭上に引き出され、そこで一般的に回収、凝縮、精製される。しかし、安全であればそのまま大気中に放出されることもある。

3.抽出

抽出カラムとは？

抽出カラムは、化学工業、石油精製、環境保護、その他の産業分野で一般的に使用されている液-液の物質移動装置です。液液抽出とは、混合溶液中の1つまたはいくつかの化合物成分を別の液体（溶媒と呼ばれ、混合溶液の溶媒と混和しない）で抽出する物質移動の方法である。これにより、化合物を分離、濃縮、精製することができる。このプロセスを液液抽出法、溶媒抽出法という。使用される装置は抽出機と呼ばれる。抽出工程には1回抽出と複数回抽出、ギャップ抽出、連続抽出がある。連続多重抽出に使用される抽出装置は、抽出塔と呼ばれる塔型の装置である。その内部構造は、液体を重力や機械的な作用で液滴に分解し、別の連続した液体中に分散させて液液抽出を行うものである。

抽出は、共沸混合物、熱に弱い製品、沸点が非常に高い、あるいは非常に低い混合物の分離に適用され、担体物質に含まれる目的物質が低く、蒸留が非常に複雑になる。

液液抽出カラムはどのように機能するのか？

抽出方法は、他の分離形式と同様にカラムを使用し、非撹拌抽出としても知られている。しかし、ミキサー・セトラーや遠心抽出など、撹拌抽出法とみなされる抽出方法もある。

カラム抽出にはいくつかの異なる設計があるが、どれも同じ原理で機能する。抽出カラムでは、カラムにフィードを入れ、溶媒を加え、可溶性分子が溶媒に入ると成分が分離される。残ったフィードは重い液体なので、カラムの底に流れ落ちます。溶媒はより軽い液体であり、カラムの上部に回収された可溶分とともに浮遊する。

このカラムは、可溶性溶媒含有層と供給層との分離を可能にし、最上部の溶媒層を所望の残留液体から抽出することができる。抽出カラムは内部に可動部を持たず、代わりにフィードを分散ステージに分割するための内部機構を含む。