分留(分別蒸留)

スープを煮ているとき、鍋のふたの内側に透明な水滴がつくのを見たことがあると思います。塩気のあるスープは鍋に残り、純粋な水だけが先に水蒸気になって立ちのぼり、ふたに触れて再び水滴になったのです。このように、液体を沸騰させて気体にし、それを冷やして純粋な液体として集める過程を蒸留と呼びます。

ただし、水とアルコールのように完全に混ざり合っていて、どちらも蒸発しやすい液体は、鍋一つできれいに分けるのが難しいんです。水は100度で沸騰しますが、アルコールは約78度で沸騰し始めます。二つが混ざった液体を加熱すると、混合物は二つの沸点の間のある温度でいっしょに沸騰します。このとき出てくる気体にはアルコールのほうが多く含まれますが、水もかなり混ざって上がってきます。

そのため、一度沸かして集めただけでは、まだ水が混ざった不完全な状態になってしまいます。そこで、気体が上っていく道のりをとても長くして、途中に障害物を詰め込む方法が考え出されました。これが、何段階にも分けて蒸留する分留(分別蒸留)の始まりです。

分留の装置には、上に長く伸びた「分留管」や巨大な「蒸留塔」が付いています。底で混合物を加熱すると、気体が上へのぼり始めます。塔の下のほうはまだ熱いのですが、上にいくほど温度がだんだん下がっていきます。

沸点の高い物質は、少しのぼったところで冷たい空気に出会い、すぐに再び液体に戻って下へぽたぽたと落ちていきます。一方、沸点の低い物質は、温度が下がってもまだ気体のままで、塔のてっぺんまでがんばってのぼっていきます。

塔の内部では、気体がのぼって冷えて落ち、また下の熱で気体になって舞い上がる、という動きが何度も繰り返されます。このおかげで、上にいくほど沸点の低い純粋な気体だけが残るようになり、てっぺんで冷やして別々に取り出せるのです。

私たちの暮らしで使うプラスチックの原料、ガソリン、灯油は、どれもこの技術で原油を分けるところから始まります。地下からくみ上げたばかりの黒い原油(精製されていない石油)は、数えきれないほどの炭化水素などが混ざった、複雑な生地のようなものです。この原油を巨大な蒸留塔に入れて加熱すると、沸点によって層ごとに分かれます。

最も軽くて沸点の低い液化石油ガス(LPG)は塔の頂上から出てきて、その下でガソリン、灯油、軽油、重油が順番に分かれます。いちばん底には、沸騰せずに残ったかす、アスファルトが残ります。一度の加熱でたくさんの便利な油を層ごとに収穫できるわけです。

もう少し正確に言うと、沸点の差がほとんどない場合や、特定の割合で混ざると同じ温度でいっしょに沸騰してしまう「共沸混合物」は、分留だけでは100%分離するのが難しいんです。たとえば水とエタノールは、分留をどれだけ繰り返しても、エタノールの純度は質量比で約95.6%までしか上げられません。