JP2011502960A - 主にエタノール及び水の混合物を脱水するための方法 - Google Patents
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Abstract
主にエタノールと水との混合物を脱水するための方法は、第２の部分供給流（４）が蒸発器流入流として蒸発器ユニット（３１）に向けられる一方で還流として蒸留塔（３２）に向けられる第１の部分供給流（３）に分かれさせ、蒸発器ユニットの上部を蒸発器流出流（６）として離れさせる。蒸留塔（３２）からの上部吐出流（７）は戻されて過圧で蒸発器流出流（６）と混合されて混合流（８）となり、圧縮器ユニット（３３）内で、水分を多く含む透過液流（１４）と実質的に水分を含まないエタノールの形態の透過物流（１１）とに分かれる、脱水ユニット（３４）に流入する混合圧縮流（１０）に圧縮される。透過物流（１４）は、濃縮器（３９）内で低圧で濃縮された後、透過液流（１５）はポンプ（４２）によって、熱交換器（３６）によって外部熱エネルギを供給される蒸留塔（３２）に供給される流れ（１６）へと加圧され、ここで水分を多く含む底吐出流（１８）と、エタノールを多く含む上部吐出流（７）とに分かれる。透過物流（１１）は、プロダクト流（１２）として排出される前に、蒸発器ユニット（３１）の透過物熱交換器（３７）で熱源として用いられる。
Description
本発明は、請求項１の特徴部分によって定義されたような、主にエタノール及び水を含む混合物を脱水するための方法に関する。
工業的に、水及びエタノールは、これらの化合物のうちいずれか１つをさらに用いるためには最適ではない組み合わせで存在する。原料としてのエタノールは、複数のプロセスのための溶剤として好適である。一例として、水及びエタノールの組み合わせは、生物原料から作り出されるエネルギ源として、実質的に水を含まないエタノールを提供することを目的として有するプロセスにおいて、さまざまな比率で存在する。これに関連して、このエタノールは、一般的にバイオエタノールと呼ばれる。
従来の蒸留プロセスは、一般的に組成物の共沸点よりもいくらか高い含水量を有するエタノールの製造のために用いられる。エタノール／水組成物の含水量をさらに低減させて、エタノールの有用性及びその製品としての価値を高めるために、以下の項で記載されたような異なる方法が試みられてきた。
多成分系蒸留（共沸蒸留とも呼ばれる）は、これまで、そして現在もなおこの目的のために用いられている。比較的高エネルギの消費及び化学製品の使用は、この技術の特性である。エネルギ回収、これにより包含されるプロセス蒸気の機械的再圧縮が含まれる、多成分蒸留のための既知のプロセス溶液がある。日本国特許第５９１９６８３３号、仏国特許第２８５５１７０号及び日本国特許第６０２２６８３７号に例が見られ、プロセス蒸気の再圧縮と組み合わせてカスケード状に稼働する蒸留塔を記載している。
別の方法は、いわゆる抽出蒸留である。この方法もまた、抽出工程用の化学製品の使用を含む。米国特許第５，２９４，３０４号及び日本国特許第６１２５４１７７号には、そのようなプロセスが記載され、全エネルギシステムにプロセス蒸気の再圧縮が含まれている。
他２つの技術は、分子篩及び蒸気透過であり、上流側蒸気は、蒸発器内で生成されるか、又は従来の蒸留プロセスから直接取り出される。そのような技術での吐出流は透過物（実質的に水を含まないエタノール）及び、一般的には濃縮された後蒸留塔内で回収されるより多くの又はより少ないエタノールを伴う、水を含有する透過液である。蒸発器による従来のプロセスは、透過液の蒸留工程での還流液の生成を含む、供給液の蒸発及び透過液のエタノール部分の回収のためにエネルギを消費する。
米国特許第２００７０００７６９号には、プロセス蒸気を再圧縮しない従来の分子篩プロセスが記載されている。分子篩と蒸気透過との間の主な違いは、分子篩では脱水工程自体はバッチ式で行われることであり、一般的に多くの分子篩タンクが相互交換され、稼動中ではないタンクが回収工程の影響を受けやすい原因となる。このように、プロセス上流及び下流は、継続的な方法で作用し、分子篩の脱水ユニットからの吐出流は、蒸気透過による透過物及び透過液のようなものである。
膜を通した液状の供給による膜分離、いわゆる浸透気化法もまた用いられる技術である。また、この技術により、吐出透過液流は蒸気の形態であるが、一方で透過物は液相である。エネルギ消費は、従来の蒸気透過と比較して比較的低いが、これは供給の透過物部分を蒸発させるためのエネルギ供給の必要がないためである。供給されたエネルギは、代わりに透過液を蒸発させて、透過液のエタノール部分を回収するために用いられ、また透過液の蒸留工程に対する還流液の生成も含まれる。浸透気化法は、膜の寿命に関して頑強さに劣る技術であるが、これは膜が原材料にあり得る不純物にさらされるためである。浸透気化法を含む既知のプロセスがあり、そこにはプロセス蒸気の機械的な再加圧が含まれる。一例として、日本国特許第６３０５９３０８号は、エタノールの浸透気化法のためのプロセスを記載している。膜からの透過液は、供給蒸気として蒸留工程に供給される前に、蒸気圧縮工程を介して流れる。このプロセス中のプロセス蒸気の圧縮は、結果として、透過液が蒸留塔内に蒸気として残るため、透過液からエタノールを回収するために必要であるエネルギ量を減少させる可能性がある。
透過液の再圧縮の別の例は、日本国特許第５１３７９６９号に記載されており、そこでは、エネルギが要求される冷蔵ユニットによって作り出される冷却媒体を使用しなければならないことに代えて、蒸気状の透過液の圧力増大を用いて、有効な冷却水温度で濃縮する。
本発明の目的は、主にエタノール及び水の液体混合物から水を分離するための低エネルギな方法を提供することである。
さらなる目的は、工業的な条件下で、すなわち可能な限り高い稼働能力を有する、費用効率の高い本格的規模のプラントで、第１の目的を達成することを可能にすることである。
上記の目的は、請求項１によって定義された本発明の方法によって達成される。
本発明の好ましい実施形態は、従属項によって開示される。
主にエタノールと水との混合物を脱水するための方法は、蒸発、蒸留、圧縮、熱交換及び蒸気透過又は分子篩を含み、主に液相のエタノール及び水の供給は、別の部分供給流が蒸発器供給流として蒸発器に供給される一方で、還流として蒸留塔に充填される第１の部分供給流に分かれ、蒸発器の上部を蒸発器吐出流として離れる一方で、蒸留塔からの上部吐出流は戻されて、過圧で蒸発器吐出流と混合されて混合流となり、機械的圧縮器ユニット内で、水分を多く含む透過液流と、実質的に水分を含まない透過物流と、に分かれる脱水ユニットに流入する圧縮混合流に圧縮され、透過物流は、濃縮器内で、真空システムによって生成された低圧で実質的に濃縮された後、液体状で加圧されて、熱交換器を介して外部熱エネルギを受ける蒸留塔に供給流として充填され、実質的に水である底吐出流と、エタノールを多く含む上部吐出流とに分かれる一方で、透過物流は、液体のプロダクト流として排出される前に、蒸発器ユニットの透過物熱交換器で熱源として用いられる。
当業者においては、混合物が、エタノール及び水以外のより少ない量の成分、たとえば変性剤及び少量のフーゼル油ならびに高濃度のアルコールを含有することができ、通常は含有することが認識されよう。
本発明によれば、外部エネルギは、蒸留塔のみに強制的に供給される。このプロセスは、このエネルギが、透過液のエタノール部分の回収に加えて、供給液の蒸発のために十分に用いられるように設計される。外部エネルギを蒸発器にも供給する可能性は除外しないが、必須ではない。蒸気透過での脱水ユニットの駆動力は、透過物と透過液側との間の水蒸気圧の差であり、実際には、過度の圧力で供給蒸気を供給しながら、低圧で透過物を除去することによって達成される。
以下に、本プロセスを、好ましい実施形態の形で、添付の図面を参照してより完全に記載する。
以下の特定の図の形式での例示は、何も表示されていない場合、蒸気透過に基づく脱水ユニット３４を含むプラントに関することを理解すべきである。プロセス流の相対量の表示はすべて、特に明記されない限り重量％である。
図１は、供給されたエタノールを多く含む供給流１が、どのようにして熱交換器３５内で予熱供給流２に予熱され、その後第１の部分供給流３と、熱交換器４１内でさらに予熱される内部流５を有する第２の部分供給流４に分かれるかを示す。第１の部分供給流３は、蒸留塔３２に充填され、ここで還流液として流入する一方で、第２の部分供給流４は蒸発器ユニット３１に流入する。第１の部分供給流３は、通常は供給流１の２０％未満に相当する。蒸発器ユニット３１からの蒸発器流出流６は、蒸留塔３２からの吐出流７と結合する。供給流１は、一般的には７０％以上、より好ましくは８０％以上のエタノール濃度を有する。分子篩による脱水の場合、相当する数値は８０％以上、より好ましくは９０％以上である。
プロセス流６及び７による混合流８は、圧縮機ユニット３３に流入し、圧縮混合流９は、気体冷却器４１に流入し、ここから、結果として冷却されたプロセス流１０は、一般的には２〜８ｂａｒａ（蒸気透過が脱水のために用いられる場合、脱水方法に依存し、膜のタイプにもよる）の範囲の圧力を有しており、一般的には分子篩又は蒸気透過に基づく脱水ユニット３４に流入する。実質的に水を含まない透過物流１１及び水を多く含む透過液流１４は、脱水ユニット３４から排出される。透過物流１１は、一般的には最大２％の水を有する。バイオエタノール用に、透過物内の水分含有量の要件は＜０．３％であり、これは、本方法によって、脱水ユニット向けの通常プロセス条件下で得られる。圧縮機ユニット３３は、エタノールを多く含む透過物流が、蒸発器ユニット３１内で蒸発温度よりも高い温度であることを確実にし、プロセス流中の潜在エネルギが、蒸発器ユニット３１に接続された熱交換器３７での熱交換によるプロセスで使用される。熱交換器３７からの濃縮された透過物流１２は、すでに説明されたように熱交換器３５内の供給流１による熱交換で、エネルギをさらに放出することができる。実質的に水を含まないエタノールの生成物流１３は、熱交換器３５を離れる。
水を多く含む透過液流１４は、一般的に５〜４０％のエタノールを含有し、濃縮器３９内で、真空ポンプ４３によって図示された真空システムによって生成された低い圧力（０〜１ｂａｒａ）で濃縮され、その後液体の透過液流１５は、加圧透過液流１６へと加圧されて、熱交換器４０で予熱され、その後プロセス流１７として、蒸留塔３２に液体供給として充填される。蒸留塔３２からの底吐出流１８は、一般的に９９％を上回る実質的に浄水の吐出流１９としてプロセスを離れる前に、熱交換器４０内の加圧透過液流１６に対して熱を放出する。
外部熱エネルギは、より具体的には、蒸留塔３２に関連する熱交換器３６によって、蒸留塔３２と接続するプロセスに供給される。さらなるエネルギは、任意には、以下に述べられる熱交換器３８によって、蒸留器ユニット３１に関連して供給される。それぞれ熱交換器３６及び熱交換器３８内への熱媒体２０及び２２は、一般的には高温の液体又は蒸気である。
蒸気透過に関する脱水ユニット３４の寿命は、その供給蒸気に存在するいずれかの不純物に影響される。蒸留塔３２内に、フーゼル油等の望ましくない揮発成分が堆積することを回避するために、塔からの側面出口（図示せず）が設けられてもよい。望ましくない成分、たとえば塩が堆積することを回避するために、蒸発器ユニット３１の液体溜めの他の固形物質及び高濃度の（高沸点の）アルコール、一般的には供給流１の５％未満の微量の液体流（図示せず）が、蒸発器ユニット３１から、蒸留塔３２への少量の供給又は還流として含まれるプロセス流１７に、又は還流３に排出され、蒸留塔からは、望ましくない成分が底吐出流１８とともに出るか、又はこれに代えて塔からの前述の側面出口を介して出る。本プロセスによって、上述の微量の液体流が、蒸留器ユニット３１の液体溜めから蒸留塔３２に取り出された場合、エネルギ消費は増大しない。
図２は、本発明の、図１よりも簡易な実施形態を示す。差異は、図２で省略されているもの、すなわち通常は商用プラント内に存在するが、本発明の基本的な利点を達成するためには必須ではない熱交換器３５、３８、４０及び４１の説明によって、最も簡易に説明することができる。熱交換器（予熱器）３５及び４０で回収されるエネルギは、一例として、他の目的に用いられることができる。別の例では、供給流１は流入するときに既に高温であるため、プロセス流１２は他の流れと、又は他の目的のために熱を交換する必要がある。
図２及び図１のプロセス流を比較することによって、図２のプロセス流１２が、図１のプロセス流１２及び１３の両方に相当し、図２のプロセス流１６が図１のプロセス流１６及び１７の両方に相当し、図２のプロセス流１８が図１のプロセス流１８及び１９の両方に相当することが観察されるはずである。
図１に関して述べたように、供給流１は一般的に、分かれて蒸留塔３２と蒸発器ユニット３１との間で共有される前に予熱される。この予熱は、好ましくは図１の熱交換器３５での、透過物流１２との熱交換で生じる。
さらに好ましくは、圧縮機ユニット３３は、機械的な蒸気圧縮機である。これに代えて、圧縮機ユニットは、エゼクタに対する駆動蒸気として高圧のエタノール蒸気を用いる蒸気エゼクタによるプロセス蒸気の熱的な再圧縮に基づいてもよい。代替の方法は、より少ない程度のエネルギ回収を提供する。
透過物からの潜在エネルギ（熱交換器３７によって供給される）に加えて、外部エネルギが蒸発器ユニット３１にも供給されることが可能であり、また好ましいことが多い。この外部エネルギは、熱媒体２２を受け取る熱交換器３８で供給されることができる。
透過液流１４は、蒸留塔３２への流入（供給）流１７の基盤を形成する。透過物流１４は、熱交換器３９及び冷却媒体２４として図示されているように、まず冷却されて１つ以上の熱交換器内で低圧力で濃縮された後、ポンプ４２で図示されているような１つ以上のポンプによって、加圧透過液流１６へと加圧される。低圧（真空）は、水除去のための重要な駆動力であり、熱交換器３９の排出側で真空ポンプ４３で図示される真空システムによって達成される。さらに好ましくは、プロセスのエネルギ消費を最適化するために、蒸留塔３２からの底吐出流１８に対向する濃縮透過液流１６は、結果として加熱透過液流１７が蒸留塔３２に流入する前に熱交換する。
蒸発器ユニット３１の下流で、蒸発器流出流６は、蒸留塔３２からの上部吐出流７と混合され、混合流８は圧縮されて、これが圧縮混合流１０の過熱につながる。この流れを、脱水ユニット３４に流入する前に冷却することが好ましい場合がある。冷却は、たとえば熱交換器４１内で、冷却媒体５によって行われてもよく、これがプロセスへの供給流の「支流」であることがあり、こうして正味の供給熱は、プロセス内の別の場所を用いて回収される。
供給流１は、透過物流１２からの顕熱によって予熱される。大半の供給は、蒸発器ユニット３１で蒸発する。少量の供給は、蒸留塔３２内で還流液３として用いられることによって蒸発する。供給流１の第３の小部分５は、蒸発器ユニット３１に向けられる前に、熱交換器４１でさらに予熱されることができる。これに代えて、プロセス流５は、圧縮された過熱気体流９に直接加えられることによって、圧縮機ユニット３３内で蒸発する。
エネルギ回収の大部分は、好適な圧縮機器内でのプロセス蒸気の機械的な再加圧によって達成される。圧縮機器の駆動エネルギは、電気又は熱エネルギにすることができる。熱エネルギが用いられる場合、用いられている機器から浪費されるエネルギは、特許されたプロセスのためのエネルギ供給として、全体的に又は部分的に用いられてもよい。圧縮機器の電気モータに供給されたエネルギのほとんど（およそ９０〜９５％）は、全プロセスの有効エネルギを成す。
計算例
従来の、ＭＶＲを用いず、内部で生成された還流液（＊）による蒸気透過（＊＊）：
− 供給濃度：水中のエタノール８５％
− 製品容量：１０，０００ｋｇ／ｈ
− 全熱エネルギ消費：３２００ｋＷ
− 全電気エネルギ消費：２５ｋＷ
− 供給濃度：水中のエタノール９５％
− 製品容量：１０，０００ｋｇ／ｈ
− 全熱エネルギ消費：２４００ｋＷ
− 全電気エネルギ消費：２５ｋＷ
従来の、ＭＶＲを用いず、内部で生成された還流液（＊）による蒸気透過（＊＊）：
− 供給濃度：水中のエタノール８５％
− 製品容量：１０，０００ｋｇ／ｈ
− 全熱エネルギ消費：３２００ｋＷ
− 全電気エネルギ消費：２５ｋＷ
− 供給濃度：水中のエタノール９５％
− 製品容量：１０，０００ｋｇ／ｈ
− 全熱エネルギ消費：２４００ｋＷ
− 全電気エネルギ消費：２５ｋＷ
蒸気透過（＊）（＊＊）の場合の本プロセス：
− 供給濃度：水中のエタノール８５％
− 製品容量：１０，０００ｋｇ／ｈ
− 全熱エネルギ消費：１１５０ｋＷ
− 全電気エネルギ消費：１７５ｋＷ
− 供給濃度：水中のエタノール９５％
− 製品容量：１０，０００ｋｇ／ｈ
− 全熱エネルギ消費：３７５ｋＷ
− 全電気エネルギ消費：１７５ｋＷ
− 供給濃度：水中のエタノール８５％
− 製品容量：１０，０００ｋｇ／ｈ
− 全熱エネルギ消費：１１５０ｋＷ
− 全電気エネルギ消費：１７５ｋＷ
− 供給濃度：水中のエタノール９５％
− 製品容量：１０，０００ｋｇ／ｈ
− 全熱エネルギ消費：３７５ｋＷ
− 全電気エネルギ消費：１７５ｋＷ
供給におけるエタノール８５％に対する減少エネルギ消費＝およそ６０％
供給におけるエタノール９５％に対する減少エネルギ消費＝およそ８０％
供給におけるエタノール９５％に対する減少エネルギ消費＝およそ８０％
（＊）：熱損失、及び濃縮器への冷却媒体の製造のための冷蔵システムに供給されるあらゆるエネルギを除く。
（＊＊）：分子篩では、エネルギ消費の減少は、主に比較的エネルギを要求する再生プロセスに起因して、蒸気透過のケースと比較して少ない。
Claims (11)
- 蒸発、蒸留、圧縮、熱交換及び蒸気透過又は分子篩を含む、主にエタノールと水との混合物を脱水するための方法であって、
主にエタノール及び水の供給流（１）が、第２の部分供給流（４）が蒸発器流入流として蒸発器ユニット（３１）に向けられる一方で、還流として蒸留塔（３２）に向けられる第１の部分供給流（３）に分かれ、蒸発器ユニットの上部を蒸発器流出流（６）として離れる一方で、蒸留塔（３２）からの上部吐出流（７）が戻されて過圧で蒸発器流出流（６）と混合されて混合流（８）となり、圧縮器ユニット（３３）内で、水分を多く含む透過液流（１４）と実質的に水分を含まないエタノールの形態の透過物流（１１）とに分かれる、脱水ユニット（３４）に流入する混合圧縮流（１０）の形成下で圧縮され、
透過物流（１４）が、濃縮器（３９）内で、真空ポンプ（４３）によって明示される真空システムによって生成された低圧で濃縮された後、透過液流（１５）がポンプ（４２）によって、熱交換器（３６）によって熱エネルギを供給される蒸留塔（３２）に供給される流れ（１６）へと加圧され、水分を多く含む低吐出流（１８）と、エタノールを多く含む上部吐出流（７）とに分かれる一方で、透過物流（１１）が、プロダクト流（１２）として排出される前に、蒸発器ユニット（３１）の透過物熱交換器（３７）で熱源として用いられる方法。 - 供給流（１）が分かれて、蒸留塔（３２）及び蒸発器ユニット（３１）に分配される前に予熱される、請求項１記載の方法。
- 供給流（１）が、熱交換器（３５）内で、プロダクト流（１２）による熱交換で予熱される、請求項２記載の方法。
- 圧縮器ユニット（３３）が、機械的な蒸気圧縮器である、請求項１記載の方法。
- 蒸発器ユニット（３１）が、透過物熱交換器（３７）による透過物（１１）から供給されるエネルギに加えて、熱交換器（３８）による外部熱エネルギ（２２）を供給される、請求項１記載の方法。
- 透過液流（１６）が、蒸留塔（３１）からの底吐出流（１８）による熱交換によって、蒸留塔が蒸留供給流（１７）を形成する前に熱交換器（４０）で予熱される、請求項１記載の方法。
- 圧縮ユニット（３３）からの圧縮混合プロセス流（１０）が、脱水ユニット（３４）に流入する前に、直接的にあるいは間接的に冷却される、請求項１記載の方法。
- 供給流（１）中のエタノールの相対量が、少なくとも７０％、より好ましくは少なくとも８０％である、請求項１記載の方法。
- 脱水ユニット（３４）が分子篩である場合、供給流（１）中のエタノールの相対量が、少なくとも８０％、より好ましくは９０％である、請求項１記載の方法。
- 制限された液体流が、蒸留塔に流入する蒸留供給（１６又は１７）を介して、又は還流（３）を介して、蒸発器ユニット（３１）の液体溜めから蒸留塔（３２）に導かれる、請求項１記載の方法。
- 透過物流（１１）が、一般的に最大２％の水、好ましくは最大０．３％の水を含有する、請求項１記載の方法。
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