JP2003093827A

JP2003093827A - 共沸混合物の分離方法、共沸物の分離装置および蒸留塔

Info

Publication number: JP2003093827A
Application number: JP2001292917A
Authority: JP
Inventors: Minoru Morita; 稔守田
Original assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Current assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2003-04-02

Abstract

(57)【要約】【課題】共沸混合物含む多成分混合物を各成分に分離し
て低コストで目的物を回収する。【解決手段】分割塔で蒸留して得られた共沸混合物蒸気
を、蒸気透過膜で分離し、一方の物質の凝縮に用いた熱
媒体の有する熱によって、吸収式冷凍機を作動させ、こ
こで発生させた冷媒を他方の物質の凝縮に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は共沸混合物の分離方
法、共沸混合物の分離装置および蒸留塔に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の成分からなる混合物から各成分を
分離する代表的な方法として蒸留が挙げられる。蒸留は
各成分の蒸気圧の差を利用した分離方法である。しか
し、異なる成分であっても共沸点を有する混合物や沸点
が近接している成分を含む混合物（以下、単に共沸混合
物と記載）は、通常の蒸留操作では分離することが無理
かまたは非常に困難である。このような共沸混合物を分
離する場合には、共沸剤（エントレーナーともいう）を
添加して蒸留操作を行なう共沸蒸留が行なわれている。
共沸蒸留では、最終的に共沸剤と目的成分を分離すると
いう煩雑な操作を必要とする。

【０００３】近年では、混合物中の成分を分子量の差に
よって分離する有機高分子膜や無機膜が開発され、この
ような膜分離法と蒸留とを組み合わせ、共沸混合物を分
離する方法も行なわれている。分離膜を用いる方法は、
共沸剤を添加することなく蒸留によって低沸物を多く含
む留出物と、高沸物を多く含む缶出液とに分離し、回収
した留出物を分離膜によって低沸物と高分子物質とに分
離する。分離膜を使用する方法では、留出物中の目的物
濃度が低いと膜分離に必要とするエネルギーが非常に高
くなるため、還流比を高めて蒸留操作を行なうことによ
り留出物中の目的物濃度を高め、膜分離に使用するエネ
ルギーを低くする必要がある。このため蒸留操作に多く
の熱エネルギーを必要とする。

【０００４】一方、蒸留と組み合わせる分離膜法は、浸
透気化膜を用いるパーベーパレーション法（以下、ＰＶ
法と記載）と蒸気透過膜を用いるベーパパーミエーショ
ン法（以下、ＶＰ法と記載）方法とに大別される。いず
れの方法も分離膜の両側の圧力差および各成分と膜との
親和性を利用して分離する。通常は非透過側（供給室）
の圧力を常圧以上にするとともに、透過側（透過室）の
圧力を真空状態として分離操作を行なう。ＰＶ法は濃縮
側が液体で透過側が気体であり膜透過時に相変化を伴
う。一方、ＶＰ法は濃縮側も透過側も気体である。両者
は膜分離という点では同様であるが、膜透過時に相変化
が生じるか否かという点で大きく相違する。特に、操作
時に要するエネルギーは大きく異なる。いずれの分離膜
を用いた方法でも、分離した蒸気をコンデンサによって
凝縮して目的物を回収するが、透過側の圧力を真空に保
持するために透過した蒸気は真空状態のまま凝縮するの
が一般的である。真空状態において透過した蒸気を凝縮
させるには常圧で凝縮させるよりも低温まで冷却する必
要があり、この凝縮用の低温冷媒を発生させるのに費用
がかかるのが膜分離の最大の欠点である。

【０００５】ところで、上述のような蒸留を用いた共沸
混合物の分離技術は、例えば、発酵もろみ法によるエタ
ノールの製造において、発酵もろみからエタノールを他
の成分と分離して回収するのに用いられている。発酵も
ろみは、エタノール以外に、低分子有機物、低級および
高級アルコール、有機酸類、アルデヒド等など種々の成
分を含み、エタノールよりも低沸点の物質も少なくな
い。発酵もろみのように多数の成分を含む混合物は、従
来は、多数の蒸留塔を使用することにより段階的に目的
物と他成分とを分離している。発酵もろみ法では、エタ
ノールおよび水からなる共沸混合物と他成分とを分離
し、この共沸混合物を最終的にエタノールと水とに分離
する。この最終的な分離方法は、先に述べたように共沸
剤を添加して蒸留したり膜によって分離したりする。多
数の蒸留塔を使用する利点は、多成分系の混合物の分離
が可能であるとともに、目的物の分離効率を高めること
ができることにある。一方、多数の蒸留塔を用いること
の欠点は、蒸留塔を建設するために広大な設備面積を必
要とすることと、そのために建設費が高くなることと、
処理系が複雑となることである。

【０００６】近年では、図６に示されるような、蒸留塔
１００内部の中間域を分割壁１００ｗによって分割し、
塔頂部１００Ｔと塔底部１００Ｂとが分割されていない
共通部となっているいわゆる分割型の蒸留塔１００が実
用化されている。この従来の分割型の蒸留塔１００は、
塔頂部１００Ｔに低沸留出物Ｓｆ’の回収口１００Ｅｆ
が設けられ、塔中ほどに分割壁１００ｗをはさんで原料
Ａ’の供給口１００Ｓと中沸留出物Ｓｍ’の回収口１０
０Ｅｍが設けられ、塔底１００Ｂに缶出液Ｂの回収口１
００Ｅｂが設けられており、一塔で複数の留出物を回収
することができる。かかる分割塔は、設置面積は小さ
く、建設費も安く、さらに運転コストも安いという利点
をも有する。この従来の分割塔の欠点は、低沸物と中沸
物とが塔頂に集まるため、中沸物濃度の高いところで
は、低沸物の揮発度が低くなり、製品としての中沸物を
低沸物から分離することが困難である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、共沸混合
物または共沸混合物を含む多数成分系の混合物から蒸留
を用いて各成分を分離回収する従来方法およびそれにか
かる従来装置には、それぞれ上記の問題点を有してい
る。

【０００８】そこで、本発明の課題は、上記従来例の欠
点を改善した共沸混合物の分離方法およびそれにかかる
装置を提供することにある。具体的には、好適な熱回収
が行なわれ廃熱量が少なくエネルギーコストを低減させ
た共沸混合物の分離方法と、設置面積が少なくてすみ建
設費や運転コストが低く、しかも目的物としての中沸物
よりも低沸物を多く含む混合物から中沸物を好適に回収
できる蒸留塔と、好適な熱回収が行なわれエネルギーコ
ストが低く、さらに、運転コストが少なく、しかも共沸
混合物および目的回収物よりも低沸点物を多く含む混合
物から目的物を好適に分離回収できる共沸混合物の分離
装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明は、次記のとおりである。＜請求項１項記載の発明＞共沸剤を添加することなく共
沸混合物を蒸留し、その共沸混合物の蒸気を、蒸気分離
膜を用いかつ透過側を真空状態にして各成分蒸気に分離
するとともに、膜非透過物質蒸気を凝縮させ、その凝縮
熱により吸収式冷凍機を作動させ、その吸収式冷凍機で
の冷熱により膜透過物質蒸気を凝縮することを特徴とす
る共沸混合物の分離方法。

【００１０】＜請求項２項記載の発明＞共沸剤を添加す
ることなく共沸混合物を蒸留する蒸留塔と、前記蒸留塔
からの留出物の蒸気を分離膜の透過と非透過によって各
成分蒸気に分離する蒸気分離膜装置と、前記蒸気分離膜
装置で分離された膜非透過物質蒸気を熱媒体と間接的に
熱交換して凝縮させる製品コンデンサと、この製品コン
デンサで前記膜非透過蒸気と熱交換した後の熱媒体の持
つ熱を作動源として冷媒を発生させる吸収式冷凍機と、
この吸収式冷凍機で発生させた冷媒またはこの冷媒によ
って冷却した冷却物質と前記蒸気分離膜装置で分離され
た膜透過物質蒸気とを熱交換して前記膜透過物質を凝縮
させる低温コンデンサと、を備えることを特徴とする共
沸混合物の分離装置。

【００１１】＜請求項３項記載の発明＞中間域までの上
側範囲が実質的に左右に分ける分割壁によって低沸物精
留部と中沸物精留部とに分割されており、前記中間域か
ら塔底までの範囲は分割されておらず、前記低沸物精留
部に原料供給口を備え、塔底に加熱手段および缶出液の
抜き出し手段を備え、かつ前記低沸物精留部と中沸物精
留部との頂上部のそれぞれに低沸物還流コンデンサ及び
中沸物還流コンデンサ備え、共沸剤を添加することなく
共沸混合物を蒸留する蒸留塔と、前記蒸留塔の中沸物還
流コンデンサを通る蒸気を分離膜の透過と非透過によっ
て各成分蒸気に分離する蒸気分離膜装置と、前記蒸気分
離膜装置で分離された膜非透過物質蒸気を熱媒体と間接
的に熱交換して凝縮させる製品コンデンサと、を備える
ことを特徴とすることを特徴とする共沸混合物の分離装
置。

【００１２】＜請求項４項記載の発明＞中間域までの上
側範囲が実質的に左右に分ける分割壁によって低沸物精
留部と中沸物精留部とに分割されており、前記中間域か
ら塔底までの範囲は分割されておらず、前記低沸物精留
部に原料供給口を備え、塔底に加熱手段および缶出液の
抜き出し手段を備え、かつ前記低沸物精留部と中沸物精
留部との頂上部のそれぞれに低沸物還流コンデンサ及び
中沸物還流コンデンサ備え、共沸剤を添加することなく
共沸混合物を蒸留する蒸留塔と、前記蒸留塔の中沸物精
留部から直接抜き出した蒸気を分離膜の透過と非透過に
よって各成分蒸気に分離する蒸気分離膜装置と、前記蒸
気分離膜装置で分離された膜非透過物質蒸気を熱媒体と
間接的に熱交換して凝縮させる製品コンデンサと、を備
えることを特徴とすることを特徴とする共沸混合物の分
離装置。

【００１３】＜請求項５項記載の発明＞実質的に左右に
分ける分割壁による中間域までの上側範囲の低沸物精留
部と中沸物精留部との分割形態が、前記分割壁は、塔頂
の中央から中間域まで繋がるか、塔頂より下方であっ
て、片側から中央に向かい下方に延びるものである請求
項３または４記載の共沸混合物の分離装置。

【００１４】＜請求項６項記載の発明＞中間域までの上
側範囲が実質的に左右に分ける分割壁によって低沸物精
留部と中沸物精留部とに分割されており、前記中間域か
ら塔底までの範囲は分割されておらず、前記低沸物精留
部に原料供給口を備え、塔底に加熱手段および缶出液の
抜き出し手段を備え、かつ前記低沸物精留部と中沸物精
留部との頂上部のそれぞれに還流コンデンサを備えるこ
とを特徴とする蒸留塔。

【００１５】＜請求項７項記載の発明＞中間域までの上
側範囲が分割壁によって低沸物精留部と中沸物精留部と
に分割されており、前記中間域から塔底までの範囲は分
割されておらず、前記低沸物精留部に原料供給口を備
え、塔底に加熱手段および缶出液の抜き出し手段を備
え、かつ前記低沸物精留部と中沸物精留部との頂上部の
それぞれに還流コンデンサを備える蒸留塔と、この蒸留
塔の前記中沸物精留部からの留出物の蒸気を、蒸気分離
膜を用いかつ透過側を真空状態にして各成分蒸気に分離
する蒸気分離膜装置と、膜非透過物質蒸気を凝縮させ、
その凝縮により吸収式冷凍機を作動させ、その吸収式冷
凍機での冷熱により膜透過物質蒸気を凝縮する熱利用手
段と、を備えることを特徴とすることを特徴とする共沸
混合物の分離装置。

【００１６】なお、本発明における低沸物、中沸物及び
高沸物とは、それらが単一成分であるほか、複数成分で
ある場合も含むものである。たとえば、低沸物として、
醗酵液、アルデヒド、及びメチルアルコールを含む場合
などである。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
しながら詳述する。＜本発明にかかる共沸混合物の分離方法および分離装置
について＞図１は、本発明の共沸混合物の分離装置を示
す概略図である。１は蒸留塔、２は膜分離装置、３は吸
収式冷凍機である。蒸留塔1は従来既知の一般的な蒸留
塔を使用可能である。この蒸留塔１は、塔本体１０内部
が棚段となっており、塔本体１０中央付近に原料Ａの供
給口１０Ｓを有し、塔底部１０Ｂに加熱部１０ｈを有す
る。また、塔頂部１０Ｔに留出物の抜き取り口１０Ｅｓ
備え、塔底部１０Ｂに缶出液Ｂの抜き取り口１０Ｅｂを
備える。さらに、図示されないがこの蒸留塔１は、塔底
から回収した缶出液Ｂの一部を加熱して返送するリボイ
ラーも有する。

【００１８】原料である共沸混合物Aは、前記原料供給
口１０Ｓから連続的に蒸留塔本体１０内へ供給される。
供給された共沸混合物Ａは、塔内で共沸剤を使用するこ
となく蒸留される。かかる蒸留により、低沸物に富む混
合物と高沸物に富む混合物とに分離され、前記低沸物に
富む混合物が留出物蒸気Ｓ₁として塔頂１０Ｔの抜き取
り口１０Ｅｓから連続的に抜き取られ、前記高沸物に富
む混合物が缶出液Ｂとして塔底１０Ｂの抜き取り口１０
Ｅｂから連続的に抜き取られる。

【００１９】塔頂部１０Ｔからの留出物蒸気Ｓ₁の一部
Ｓ₂は還流コンデンサ１１に送られ、ここで凝縮されて
塔頂１０Ｔへ戻される。このときの還流比は適宜選定で
きるが、たとえばエタノールの場合には２．０〜３．０
程度とする。還流によって留出物蒸気中の低沸物の濃度
が高められる。前記還流コンデンサ１１としては、たと
えば冷媒と間接的に熱交換を行なって凝縮する一般的な
表面凝縮器が問題なく使用できる。ここで、前記還流比
は、共沸蒸留や膜分離を用いる方法よりも低還流比とす
ることができる。本発明においては、低沸物の濃度が低
くても、後段の膜分離が低コストで行えるので、このよ
うな低還流比とすることができる。

【００２０】一方、留出物蒸気Ｓ₁の残部の留出物蒸気
Ｓ₃は膜分離装置２の前段に設けられた加熱器１２に送
られて加熱される。この加熱器１２によって、留出物蒸
気Ｓ₃は膜分離に必要な温度、たとえば沸点より２０〜
５０℃高い温度に加熱され、膜分離装置２に供給され
る。

【００２１】前記膜分離装置２は、蒸気分離膜２Ｍによ
って隔てられた供給室２Ａと透過室２Ｂとを有する。透
過室２Ｂは真空ポンプ２１によって真空にすることが可
能になっている。前記蒸気分離膜２Ｍは、耐腐性、耐熱
性に優れる無機系の蒸気分離膜が好適である。具体的に
は、ゼオライト系の無機分離膜、特にA型、T型およびY
型のゼオライト系の無機系蒸気分離膜またはシリカライ
ト系のＺＳＭ−５型ゼオライト膜が好適である。

【００２２】供給室２Ａに供給された留出物蒸気Ｓ
₃は、前記蒸気分離膜２Ｍとの親和性および供給室２Ａ
と透過室２Ｂとの圧力差によって各成分蒸気に分離され
る。このときの圧力差を作り出すために供給室２Ａ側の
圧力を常圧またはそれ以上にするとともに、前記真空ポ
ンプ２１により透過室２Ｂ側の圧力を真空状態、好適に
は５〜１５ｔｏｒｒにする。この操作によって、通常は
低沸物蒸気Ｓ₅が膜を透過して透過室２Ｂ側に移動す
る。これにより膜を透過できない中沸物蒸気Ｓ₄が供給
室２Ａ側に濃縮する。かかる膜分離により、前記留出物
蒸気、すなわち共沸混合物蒸気は目的成分の蒸気とその
他の成分蒸気とに分離する。通常は、中沸物が目的製品
となることが多い。

【００２３】供給室側で濃縮された前記中沸物蒸気Ｓ₄
は製品コンデンサ２２に送られる。この製品コンデンサ
２２は熱媒体Ｈ₁と間接的に熱交換するタイプのものを
使用する。この製品コンデンサ２２で中沸物蒸気Ｓ₄が
凝縮され、凝縮された中沸物Ｌ₁が回収される。

【００２４】一方、前記製品コンデンサ２２で熱交換さ
れた熱媒体Ｈ₂は吸収式冷凍機３に送られる。

【００２５】この吸収式冷凍機３は、発生器３Ａ、凝縮
器３Ｂ、蒸発器３Ｃ、吸収器３Ｄ、熱交換器３Ｅを有す
る従来既知の一般的な吸収式冷凍機３である。吸収液を
アンモニア、冷媒を水とする水―アンモニア系の吸収式
冷凍機や、吸収液を臭化リチウムとし、冷媒を水とす
る、水―臭化リチウム系の吸収式冷凍機等が問題なく使
用できる。吸収式冷凍機の冷媒および吸収液は特に限定
されない。前記製品コンデンサ２２を通る熱媒体Ｈ
₂は、前記吸収式冷凍機３において主に発生器３Ａにお
いて吸収液から冷媒を蒸発させるのに用いられる。すな
わち、吸収式冷凍機３の実質的な作動熱源として使用さ
れる。

【００２６】ここで、前記熱媒体Ｈ₂の温度を、作動熱
源として必要な温度にまで確実に上昇させるために、製
品コンデンサ２２を多段にして段階的に熱交換させるこ
とにより熱媒体の温度を高めてもよい。このようにする
と吸収式冷凍機の作動可能温度にまで容易に引き上げる
ことができ、またかかる吸収式冷凍機における発生冷熱
温度をより低くすることができる。

【００２７】このようにして前記吸収式冷凍機３で生成
された低温の冷媒Ｃ₁は、前記膜分離装置２で分離され
た透過室２Ｂ側の低沸物蒸気Ｓ₅を凝縮する低温コンデ
ンサ２３に送られる。低温冷媒を直接低温コンデンサに
送るのではなく低温冷媒によって冷却した冷却物質を前
記低温コンデンサに送るようにしてもよい。

【００２８】他方、膜分離装置２Ｂの透過室２Ｂ側の低
分子物資蒸気Ｓ₅は、前記真空ポンプ２１によって連続
的に前記低温コンデンサ２３に送られ凝縮させられる。
凝縮後の低沸物Ｌ₂は連続的に回収する。低温コンデン
サ２３で低沸物蒸気Ｓ₅を連続的に凝縮することによっ
て透過室２Ｂ側の飽和が防止され真空状態が保持され透
過による分離が促進される。この低沸物蒸気Ｓ₅を凝縮
させるための前記低温コンデンサ２３は、従来既知の表
面凝縮器を問題なく使用することができる。この低温コ
ンデンサ２３において低沸物蒸気Ｓ₅の凝縮に使用する
冷媒は、上述の高分子物質蒸気Ｓ₄と熱交換した後の熱
媒体Ｈ₂を作動熱源とする前記吸収式冷凍機３において
発生させた冷媒Ｃ₁が用いられる。低沸物蒸気Ｓ₅の凝縮
は真空状態で連続的に行なわれるので、常圧で凝縮する
よりもより低温にする必要がある。吸収式冷凍機３から
は、低沸物蒸気Ｓ₅を凝縮させるのに十分低温な冷媒を
供給することが可能である。

【００２９】上記説明で明らかなように、本発明は、吸
収式冷凍機３の作動熱源として、中沸物蒸気Ｓ₄を凝縮
させるのに用いた熱媒体Ｈ₂の有する熱を用いる構成と
し、さらにこの吸収式冷凍機３で発生させた低温冷媒Ｃ
₁を、低沸物蒸気Ｓ₅を凝縮させるために使用する構成と
している。かかる構成とすることで、従来、分離膜を用
いた共沸混合物の分離において問題点とされていた、低
温冷媒生成にかかるコストが削減される。また、低温冷
媒発生に必要なコストが削減されることにより、還流比
を低くすることができ、蒸留塔の運転コストも削減され
る。

【００３０】ここで、本発明の共沸混合物の分離方法に
おける熱収支について、水―エタノールの共沸混合物を
例に説明する。水―エタノールの共沸混合物蒸気を膜分
離装置で供給室側の圧力を常圧、透過室側の圧力を５〜
１５ｔｏｒｒとして、膜分離操作を行なうと、透過室側
に低沸物の水蒸気が透過してくるとともに、供給室側で
エタノール蒸気が濃縮される。このときのエタノール蒸
気の温度はほぼ共沸混合物の沸点と同様である。このエ
タノール蒸気は常圧であれば８０〜８８℃まで冷却すれ
ば凝縮する。一方、透過室側の水蒸気を前記５〜１５ｔ
ｏｒｒの真空条件では凝縮させるには５〜１３℃程度ま
で冷却する必要がある。

【００３１】本発明者らは、供給室側に濃縮されたエタ
ノール蒸気を、たとえば３０℃の水を冷却水として使用
して水−アンモニア系や水−リチウムブロライド系の吸
収式冷凍機の作動させると、この吸収式冷凍機において
５℃の冷媒を発生させることが可能であることを知見し
た。この５℃の冷媒を用いれば前記透過側の水蒸気を前
記真空状態で十分に凝縮させることが可能である。

【００３２】＜本発明の分割型の蒸留塔について＞次い
で、本発明の分割型の蒸留塔（以下、は単に分割塔と記
載）について説明する。図２にその分割塔の概略図を示
す。分割塔本体１０の内部は棚段になっている。また、
塔内部は、塔頂から中間域１０Ｘまでが分割壁１０ｗに
より初留物精留部１０Ｆと中沸物精留部１０Ｍとに分割
されており、その下方は分割されておらず共通の高沸物
回収部１０Ｃとなっている。ここで、本明細書中でいう
中間域１０Ｘとは塔頂から塔底までの間の任意の位置で
あり、塔の高さ方向の中心という意味ではない。従って
前記分割壁１０ｗの長さは分離する混合物の組成および
運転条件を考慮して適宜設計することができる。原料Ａ
の供給口１０Ｓは、前記初留物精留部１０Ｆに設けられ
ている。この原料供給口１０Ｓは初留物精留部１０Ｆの
中程またはそれよりも上方に設けるのが好適である。

【００３３】前記初留物精留部１０Ｆの頂上部１０Ｆｔ
には初留物蒸気Ｓｆの抜き取り口１０Ｅｆが設けられて
いる。この抜き取り口１０Ｅｆは初留物蒸気Ｓｆを凝縮
するための初留物用コンデンサ１１ｆに接続されてい
る。また、初留物用コンデンサ１１ｆで初留物Ｓｆを凝
縮した初留液Ｌｆの一部を初留物精留部１０Ｆに返送す
る返送路を有し、初留物の還流を行なうことが可能にな
っている。一方、分割壁１０ｗによって前記初留物精留
部１０Ｆと隔てられている中沸物精留部１０Ｍの塔頂部
１０Ｍｔには、中沸点物質に富む中沸留出物Ｓｍの抜き
取り口１０Ｅｍが設けられている。抜き取り口１０Ｅｍ
は中沸留出物Ｓｍを凝縮させるための還流コンデンサ１
１ｍに接続されている。また、還流コンデンサ１１ｍで
凝縮した留出液Ｌｍの一部を中沸物精留部１０Ｍに返送
する返送路を有し、還流が行なわれるようになってい
る。

【００３４】分割壁１０ｗより下方の共通の回収部１０
Ｃの構成は、従来一般的な蒸留塔と同様とすることがで
きる。また、塔底部１０Ｂの構成も従来の一般的な蒸留
塔と同様とすることができる。塔底には加熱部１０ｈと
缶出液Ｂの抜き取り口１０Ｅｂを備えている。図示はし
ないがリボイラーが設けられている。

【００３５】次いで、かかる蒸留塔の作用・効果につい
て説明する。まず、原料供給口１０Ｓから初留物精留部
１０Ｆに原料Ａを供給しつつ蒸留操作を行なうと、原料
中の低沸物がまず蒸発して初留物精留部１０Ｆの塔頂部
１０Ｆｔから連続的に回収される。初留物精留部１０Ｆ
で抜き取られる初留物Ｓｆは初留物用コンデンサ１１ｆ
で凝縮され、凝縮した初留物Ｌｆの一部が、前記初留物
精留部１０Ｆの塔頂部へ戻される還流が行なわれる。こ
の還流を行なうことにより初留物中Ｓｆの低沸物の濃度
が高まり低沸点成分以外の成分、中沸物や高沸物が初留
物精留部１０Ｆの抜き出し口１０Ｅｆから出難くなる。

【００３６】初留物精留部１０Ｆにおいて連続的に低沸
物が除去される間に、中沸物および高沸物は初留物精留
部１０Ｆの下方、すなわち分割壁が設けられていない回
収部１０Ｃに向かう。低沸物は分割壁１０ｗの下端１０
ｘよりも下方に到達する前に蒸発するし、また、連続的
に初留物精留部１０Ｆの塔頂部１０Ｆｔから抜き取られ
るので、低沸物が共通の回収部１０Ｃおよび中沸物精留
部１０Ｍに到達することはない。従って、中沸物精留部
１０Ｍと回収部１０Ｃとは、ほとんど中沸物および高沸
物の蒸気のみで満たされることになる。

【００３７】このシステムは、中沸物の濃度が薄い時に
初留物が分離しやすい系に対し有効に働く。すなわち、
初留物の揮発度が高沸物の濃度が高い場合である。アセ
トアルデヒド（低沸物）、エタノール（中沸物）、水
（高沸物）の蒸留の場合、水濃度が高く中沸物濃度が低
い場合である。この系において、頂部解放の従来の分割
塔を適用した場合には、塔頂部では揮発度の順に成分が
分布し、中沸物の濃度が濃い状態で低沸物の分離をする
ので低沸物の揮発度が低くなり分離のための段数が多
くなり実用化できない。これに対して、本発明のように
分割塔上部より低沸物凝縮器にヴェーパを導く方法によ
れば塔頂での中沸物や高沸物の濃縮は少ないので濃度
は薄く低沸物を効果的に蒸留して除去できる。

【００３８】さらに操作説明を続けると、本実施の形態
では、蒸留操作の進行に伴って、中沸物精留部１０Ｍの
抜き出し口１０Ｅｍからは中沸物に富む留出物Ｓｍが留
出するようになる。この留出物Ｓｍを還流コンデンサ１
１ｍで凝縮してその一部を戻す還流を行なうことによ
り、留出物Ｓｍ中の中沸物濃度が高められる。他方で、
塔底１０Ｂから缶出液Ｂを抜き出すとともにその一部を
リボイラーを介して塔底に返送することにより、缶出液
中の高沸物の濃度が高められる。初留物精留部１０Ｆに
おける還流比、中沸物精留部１０Ｍにおける還流比およ
び缶出液の返送量は原料組成濃度や回収物濃度等を考慮
して適宜設定する。

【００３９】このように、本発明の分割塔１によって蒸
留操作を行なうと、初留物精留部１０Ｆから低沸物Ｌｆ
が回収され、中沸物精留部１０Ｍから中沸物Ｌｍが回収
され、塔底１０Ｂから高沸物Ｂが回収されることにな
り、多成分の混合物の分離が好適に行なわれる。特に、
従来技術では困難であった純度よく中沸物質を回収する
ことが可能になる。これにより、目的物質よりも低沸物
を含む混合物であっても、多数の蒸留を必要とすること
なく、目的物質を分離回収することが可能になる。もっ
て、蒸留塔の設置面積、建設費および運転コスト等の種
々の問題点が解決される。

【００４０】＜他の形態＞本発明においては、共沸混合
物の分離装置における蒸留塔として前記分割塔を採用す
ることができる。本発明の共沸混合物の分離装置および
分割塔のそれぞれの詳細は上記のとおりである。本発明
の共沸混合物の分離装置に本発明の分割塔を採用する形
態では、例えば、図３に示されるように、分割塔１の中
沸物精留部１０Ｍからの留出物Ｓｍとして共沸混合物を
取り出し、還流コンデンサ１１ｍから留出物蒸気Ｓ₃を
加熱器１２を通して膜分離装置２に送るように構成す
る。加熱器１２による蒸気化以降の工程および装置は上
述の共沸混合物の分離方法および分離装置の欄で述べた
の同様とする。かかる構成とした共沸混合物の分離装置
は、目的の回収物と共沸混合物を形成する成分を含み、
かつ、この共沸混合物よりも沸点の低い多数の物質を含
む混合物から前記目的成分を好適に回収することが可能
になる。特に、発酵もろみ法によるエタノール製造方法
において、発酵もろみからエタノールを回収する装置と
して好適である。

【００４１】共沸混合物の種類や目的の回収物を種類に
より、加熱器１２及び膜分離装置２へ移行させる留出物
の抜き出し部位は、塔頂に限らず、図４に示すように、
中段とすることができる。この図４の形態では、中沸物
の濃度が高いときに、揮発度が高くなる初留物のある成
分は還流コンデンサ１１ｍに集まるようになる。還流コ
ンデンサ１１ｍでの凝縮液の一部は、低沸物として抜き
出しが行われる。

【００４２】また、低沸物の分離に厳格の要求がなされ
ず、その代わりに中沸物と高沸物との分離に多くの棚段
数が必要とされる場合には、図５に示すように、塔頂よ
り下方であって、片側から中央に向かい下方に延びる分
割壁１０ｗとすることができる。この意味において、本
発明において分割壁は「中間域までの上側範囲が実質的
に左右に分ける」と規定するものである。

【００４３】＜実施例＞本発明の実施例として、発酵も
ろみからエタノールを分離回収する例を示す。装置は図
３に示される分離装置を使用した。この装置の分割塔は
次記のとおり設計されている。前記分割塔は、直径が３
ｍ、全段数を４７段とし、そのうちの塔頂から２７段目
までが分割壁で分割されている。また、分割壁より下方
の２０段が実質的な回収部である。一方、かかる装置の
適所で使用されている各コンデンサの伝熱面積はそれぞ
れ、第一コンデンサ（製品コンデンサ１）は６０ｍ²、
第二コンデンサ（製品コンデンサ２）は３０ｍ²、還流
コンデンサは１００ｍ²、初留コンデンサは２０ｍ²であ
る。膜透過物質のコンデンサは１８０ｍ²であった。

【００４４】原料となる発酵もろみはエタノールの工業
的製造方法に基づいて澱粉原料の発酵により生成したも
のを用いた。この発酵もろみ中のエタノール濃度は８重
量％であった。まず、この発酵もろみを還流コンデンサ
で予熱し、分割塔の初留物精留部に連続的に供給し缶
出液は熱交換せずに廃液処理工程に送る方式の蒸留操
作を行なった。蒸留操作は、発酵もろみの供給を４３５
００リットル／ｈｒとし、初留物精留部頂上部温度を８
９℃とし、初留物抜き出し量を３００リットル／ｈｒと
した。このときのフーゼル油抜き出し量は２０リットル
／ｈｒであった。それとほぼ同時に、中沸物精留部にお
いて還流比３．０にてエタノール濃度９０重量％の共沸
混合物蒸気を抜き出した。

【００４５】次いで、前記共沸混合物蒸気を連続的に加
熱器に供給し、１２０℃に加熱したのちに蒸気分離膜装
置に供給し、低分子物質である水と高分子物質であるエ
タノールとに分離した。この蒸気透過膜装置の分離膜の
面積は１８０ｍ²である。また、分離膜はゼオライト系
の分離膜であり、エタノールを透過させずに水を透過さ
せる機能を有するものである。蒸気分離膜装置の圧力条
件は、供給室の圧力を常圧とし、透過室の圧力を真空ポ
ンプにより１５ｔｏｒｒとした。

【００４６】他方、この装置に用いられている吸収式冷
凍機は、一般的な水−アンモニア系の吸収式冷凍機でこ
れを構成する主要機器の仕様は、発生器８５ｍ²、熱交
換器１５ｍ²、凝縮器５０ｍ²、蒸発器５５ｍ²吸収器５
０ｍ²で吸収式冷凍機の運転条件は次記のとおりとし
た。発生器および凝縮器の操作圧力は１５．５ｂａｒと
し、蒸発器および吸収器の操作圧力は３．５ｂａｒとし
た。操作温度は、発生器が７５℃、凝縮器が３５℃、蒸
発器が０℃、吸収器が３５℃とした。

【００４７】前記濃縮されたエタノール蒸気を製品コン
デンサに通して凝縮することにより、濃度９９．９４重
量％のエタノールが３３００ｋｇ／ｈｒで回収された。
このとき、前記エタノール凝縮に使用した使用後の熱媒
体を作動源とする前記吸収式冷凍機で発生させた５℃の
冷媒を用いる水コンデンサによって、透過室の水蒸気を
凝縮して回収される水量は３６７ｋｇ／ｈｒであった。

【００４８】本実施例における蒸気使用量は２３４０ｋ
ｇ／キロリットル・無水アルコールであった。この値
は、共沸蒸留を行なう場合や、モレキュラーシーブなど
の吸着剤を用いて分離する場合と比較して、非常に高効
率な値であり、膜分離による効率が高いことを示してい
る。具体的には、従来共沸蒸留と比較すると実に４０％
減である。必要となった外部動力はわずか３．０ｋｗで
あった。このことより低エネルギーおよび低エネルギー
コストで低温冷媒を発生させること可能であることが示
された。

【００４９】

【発明の効果】以上詳説のとおり本発明によれば、熱回
収によってエネルギーコストを低減させた共沸混合物の
分離方法と、設置面積が少なくてすみ建設費や運転コス
トが低く、しかも目的の中沸物よりも低沸物を多く含む
混合物から目的の中沸物を好適に回収できる蒸留塔と、
好適な熱回収が行なわれエネルギーコストが低く、さら
に、運転コストが少なく、しかも共沸混合物および目的
回収物よりも低沸物を多く含む混合物から目的物を好適
に分離回収できる共沸混合物の分離装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる共沸混合物の分離装置を示す概
略図である。

【図２】本発明にかかる蒸留塔を示す概略図である。

【図３】本発明にかかる共沸混合物の分離装置の他の例
を示す概略図である。

【図４】本発明にかかる他の共沸混合物の分離装置の他
の例を示す概略図である。

【図５】本発明にかかる共沸混合物別の分離装置の他の
例を示す概略図である。

【図６】従来の分割型の蒸留塔の概略図である。

【符号の説明】

１…蒸留塔、２…蒸気分離膜装置、2Ａ…供給室、２Ｂ
…透過室、２Ｍ…蒸気分離膜、３…吸収式冷凍機、３Ａ
…発生器、３Ｂ…凝縮器、３Ｃ…蒸発器、３Ｄ…吸収
器、３Ｅ…熱交換器、１０…蒸留塔本体、１１…還流コ
ンデンサ、１２…加熱機、２１…真空ポンプ、２２製品
コンデンサ、2３…低温コンデンサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4B015 NP02 4D006 GA41 GA50 JA52Z JA66Z KA01 KA72 KB18 KB30 MB03 MC03 PA04 PB32 PC12 4D076 AA22 BB08 BC01 CB03 DA36 FA19 HA03 JA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共沸剤を添加することなく共沸混合物を蒸
留し、その共沸混合物の蒸気を、蒸気分離膜を用いかつ
透過側を真空状態にして各成分蒸気に分離するととも
に、膜非透過物質蒸気を凝縮させ、その凝縮熱により吸
収式冷凍機を作動させ、その吸収式冷凍機での冷熱によ
り膜透過物質蒸気を凝縮することを特徴とする共沸混合
物の分離方法。
【請求項２】共沸剤を添加することなく共沸混合物を蒸
留する蒸留塔と、前記蒸留塔からの留出物の蒸気を分離膜の透過と非透過
によって各成分蒸気に分離する蒸気分離膜装置と、前記
蒸気分離膜装置で分離された膜非透過物質蒸気を熱媒体
と間接的に熱交換して凝縮させる製品コンデンサと、この製品コンデンサで前記膜非透過蒸気と熱交換した後
の熱媒体の持つ熱を作動源として冷媒を発生させる吸収
式冷凍機と、この吸収式冷凍機で発生させた冷媒またはこの冷媒によ
って冷却した冷却物質と前記蒸気分離膜装置で分離され
た膜透過物質蒸気とを熱交換して前記膜透過物質を凝縮
させる低温コンデンサと、を備えることを特徴とする共
沸混合物の分離装置。
【請求項３】中間域までの上側範囲が実質的に左右に分
ける分割壁によって低沸物精留部と中沸物精留部とに分
割されており、前記中間域から塔底までの範囲は分割さ
れておらず、前記低沸物精留部に原料供給口を備え、塔
底に加熱手段および缶出液の抜き出し手段を備え、かつ
前記低沸物精留部と中沸物精留部との頂上部のそれぞれ
に低沸物還流コンデンサ及び中沸物還流コンデンサ備
え、共沸剤を添加することなく共沸混合物を蒸留する蒸
留塔と、前記蒸留塔の中沸物還流コンデンサを通る蒸気を分離膜
の透過と非透過によって各成分蒸気に分離する蒸気分離
膜装置と、前記蒸気分離膜装置で分離された膜非透過物
質蒸気を熱媒体と間接的に熱交換して凝縮させる製品コ
ンデンサと、を備えることを特徴とすることを特徴とす
る共沸混合物の分離装置。
【請求項４】中間域までの上側範囲が実質的に左右に分
ける分割壁によって低沸物精留部と中沸物精留部とに分
割されており、前記中間域から塔底までの範囲は分割さ
れておらず、前記低沸物精留部に原料供給口を備え、塔
底に加熱手段および缶出液の抜き出し手段を備え、かつ
前記低沸物精留部と中沸物精留部との頂上部のそれぞれ
に低沸物還流コンデンサ及び中沸物還流コンデンサ備
え、共沸剤を添加することなく共沸混合物を蒸留する蒸
留塔と、前記蒸留塔の中沸物精留部から直接抜き出した蒸気を分
離膜の透過と非透過によって各成分蒸気に分離する蒸気
分離膜装置と、前記蒸気分離膜装置で分離された膜非透
過物質蒸気を熱媒体と間接的に熱交換して凝縮させる製
品コンデンサと、を備えることを特徴とすることを特徴とする共沸混合物
の分離装置。
【請求項５】実質的に左右に分ける分割壁による中間域
までの上側範囲の低沸物精留部と中沸物精留部との分割
形態が、前記分割壁は、塔頂の中央から中間域まで繋が
るか、塔頂より下方であって、片側から中央に向かい下
方に延びるものである請求項３または４記載の共沸混合
物の分離装置。
【請求項６】中間域までの上側範囲が実質的に左右に分
ける分割壁によって低沸物精留部と中沸物精留部とに分
割されており、前記中間域から塔底までの範囲は分割さ
れておらず、前記低沸物精留部に原料供給口を備え、塔
底に加熱手段および缶出液の抜き出し手段を備え、かつ
前記低沸物精留部と中沸物精留部との頂上部のそれぞれ
に還流コンデンサを備えることを特徴とする蒸留塔。
【請求項７】中間域までの上側範囲が分割壁によって低
沸物精留部と中沸物精留部とに分割されており、前記中
間域から塔底までの範囲は分割されておらず、前記低沸
物精留部に原料供給口を備え、塔底に加熱手段および缶
出液の抜き出し手段を備え、かつ前記低沸物精留部と中
沸物精留部との頂上部のそれぞれに還流コンデンサを備
える蒸留塔と、この蒸留塔の前記中沸物精留部からの留出物の蒸気を、
蒸気分離膜を用いかつ透過側を真空状態にして各成分蒸
気に分離する蒸気分離膜装置と、膜非透過物質蒸気を凝縮させ、その凝縮により吸収式冷
凍機を作動させ、その吸収式冷凍機での冷熱により膜透
過物質蒸気を凝縮する熱利用手段と、を備えることを特徴とすることを特徴とする共沸混合物
の分離装置。