JP2011513056A - エタノールおよび水の混合物を脱水するための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、エタノールおよび水の混合物を脱水するための方法および装置に関する。方法は、エタノールおよび水の混合物（１）をエバポレーター（２）に供給する工程、エタノールおよび水の該混合物（１）を蒸発させ、エタノールおよび水の気化混合物のストリーム（３）を蒸気再圧縮ユニット（４）に供給する工程、蒸気再圧縮ユニット（４）にてエタノールおよび水の気化混合物（３）を加圧し、エタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム（５）を膜ユニット（６）に供給する工程、ならびにエタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム（５）を、エタノールおよび水の混合物のストリーム（８）とエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム（７）とに分割する工程を含んで成る。
Description
本発明の分野
本発明は、独立請求項１の序文にて規定するように、エタノールおよび水の混合物を脱水するための方法に関する。
本発明は、独立請求項１の序文にて規定するように、エタノールおよび水の混合物を脱水するための方法に関する。
本発明は、独立請求項１０の序文にて規定するように、エタノールおよび水の混合物を脱水するための装置にも関する。
本発明は、エタノールおよび水の混合物の濃縮のための該方法および装置の使用にも関する。
本発明は、エタノールおよび水の混合物を、必ずしもそうである必要はないが好ましくは、体積で約８０〜約９６％のエタノール含有量から体積で約９９．７％〜約９９．８％のエタノール含有量まで蒸留または脱水または水分除去することに関し、それは、例えばエタノールを８５％およびガソリンを１５％含有する燃料（ｅ８５）における成分として用いる、あるいは燃料グレードのエタノールとして用いるのに適する。
米国特許第４，９１１，８４５号公報は、少なくとも２つの揮発性成分を含む混合物中の揮発性成分を相互に分離させるための方法を開示している。その方法は：（１）少なくとも２つの揮発性成分を含む出発液体を加熱し、出発液体を気化させ、揮発性成分を含む蒸気混合物を形成する工程、（２）蒸気混合物を圧縮して、その温度および圧力を上昇させる工程、（３）圧縮した蒸気混合物を、選択的透過性を有する膜に適用し、その蒸気混合物を膜透過画分と膜不透過画分とに分離する工程、（４）画分の少なくとも１つを、伝熱壁を介して工程（１）の出発液体と接触するように間接的に配置し、接触する画分の熱を利用して出発液体を気化させる工程、ならびに（５）膜透過画分および膜不透過画分の一方または双方を回収する工程を含んで成る。米国特許第４，９１１，８４５号公報は、少なくとも２つの揮発性成分を含んで成る混合物における揮発性成分を相互分離させるための装置も開示しており、その装置は：（１）（３）の膜セパレーターによって分離された少なくとも１つの画分が導入される少なくとも１つの熱交換器、出発液体を供給する側、蒸発残留物を排出する側、および随意の補助加熱器を有し、蒸気混合物を生成するエバポレーター、（２）蒸気混合物を圧縮するコンプレッサー、ならびに（３）選択的透過性を有する部材を有し、圧縮した蒸気混合物を膜透過画分と膜不透過画分とに分離する膜セパレーターを有して成る。
本発明の目的
本発明の目的は、エタノールおよび水の混合物を脱水するための、エネルギー効率的に新規で、進歩性のある方法および装置を提供することである。
本発明の目的は、エタノールおよび水の混合物を脱水するための、エネルギー効率的に新規で、進歩性のある方法および装置を提供することである。
本発明の簡単な説明
本発明の方法は、独立請求項１の規定により特徴付けられる。
本発明の方法は、独立請求項１の規定により特徴付けられる。
その方法の好ましい実施態様は、従属請求項２〜９にて規定される。
本発明の装置は、それに応じて独立請求項１０の規定により特徴付けられる。
その装置の好ましい実施態様は、従属請求項１１〜１８にて規定される。
本発明の方法では、エタノールおよび水の混合物をエバポレーターに供給する。エバポレーターにて、エタノールおよび水の該混合物を気化させる。エバポレーターから蒸気再圧縮ユニットへエタノールおよび水の気化混合物のストリームを供給する。蒸気再圧縮ユニットにてエタノールおよび水の気化混合物を加圧し、エタノールおよび水の気化混合物の圧力および温度を上昇させる。蒸気再圧縮ユニットから膜ユニットへエタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリームを供給する。膜ユニットにて、エタノールおよび水の加圧した気化混合物の該ストリームをエタノールおよび水の混合物のストリームとエタノールおよび水の脱水混合物のストリームとに分割する。膜ユニットからエタノールおよび水の気化混合物のストリームを供給する。膜ユニットからエタノールおよび水の脱水混合物のストリームを供給する。
膜ユニットにて、エタノールおよび水の加圧した気化混合物の該ストリームを、エタノールおよび水の気化混合物のストリームとエタノールおよび水の脱水混合物のストリームとに効果的に分離するには、供給物の温度および圧力が高いことを必要とする。供給物の圧力および／または温度が低すぎる場合、蒸気供給物が膜ユニット内の膜上で凝結させ、膜の透過を妨げる危険がある。蒸発ユニットにて蒸発させたエタノールおよび水の気化混合物を再圧縮するための蒸気再圧縮ユニットをエバポレーターの下流に配置し、蒸気再圧縮ユニットとエバポレーターを組み合わせて用いることにより、蒸発させたエタノールおよび水の混合物を、エバポレーターにてワンステップで蒸発させて所望の温度まで加熱するそのような方法／アレンジメントと比べてエネルギー効率のよい方法で、供給物の温度および圧力双方を上昇させることができる。蒸発させたエタノールおよび水の混合物をエバポレーターにてワンステップで蒸発させて、所望の温度まで加熱するそのような方法／アレンジメントは、エタノールおよび水の混合物の温度を２０℃から１３５℃以上まで、好ましくは１５０℃以上まで、より好ましくは１７０℃以上まで上昇させる（気化させる）ために、エバポレーターと組み合わせて再圧縮ユニットを有する装置よりも約２．５倍多くのエネルギーを必要とする。
本発明の好ましい実施態様では、蒸気透過工程において、膜ユニットにてエタノールおよび水の加圧した混合物の該ストリームをエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームとエタノールおよび水の脱水混合物の保持液（ｒｅｔｅｎｔａｔｅ）ストリームとに分割する。本発明のこの好ましい実施態様では、膜ユニットからエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを供給する。本発明のこの好ましい実施態様では、膜ユニットからエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリームを供給する。
本発明の好ましい実施態様では、蒸気透過工程において、膜ユニットにてエタノールおよび水の加圧混合物の該ストリームを、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームとエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリームとに分割する。本発明のこの好ましい実施態様では、膜ユニットからエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリームを供給、即ち排出する。本発明のこの好ましい実施態様では、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを膜ユニットから、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームをエタノールおよび水の脱水混合物のストリームと水のストリームとに分割するための脱水手段へ供給する。本発明のこの好ましい実施態様では、脱水手段から水のストリームを排出し、エタノールおよび水の脱水混合物のストリームをエバポレーターに戻す。脱水ユニットにて更に処理するために、膜ユニットからエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを供給するこの好ましい実施態様が有する利点は、それがエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームから水を分離させることである。エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームから分離した水をプロセスから除去することができ、この水には基本的にエタノールが存在しない（例えば、エタノールを０．２％より少なくしか含まない）ため、この水の処理は通常難しくはない。エタノール含有量が低いおかげで、その水を、例えば、下水処理設備にて更に処理できるように下水システムに供給することができる。脱水ユニットにて更に処理するために、膜ユニットからエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを供給するこの好ましい実施態様が有するもう１つの利点は、それがエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを脱水、即ち濃縮させること、ならびに蒸留ユニットからエバポレーターへエタノールおよび水の濃縮混合物を供給することによって、エバポレーターにてエタノールおよび水の脱水混合物、即ち濃縮混合物を再利用することである。
本発明のもう１つの好ましい実施態様では、蒸気透過工程において、膜ユニットにてエタノールおよび水の加圧混合物の該ストリームを、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームとエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリームとに分割する。本発明のこの好ましい実施態様では、膜ユニットからエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリームを供給する。本発明のこの好ましい実施態様では、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを膜ユニットから、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームをエタノールおよび水の脱水混合物のストリームと水のストリームとに分割するための脱水手段へ供給する。この好ましい実施態様において、脱水手段は、冷却ユニットおよび蒸留ユニットを有して成る。本発明のこの好ましい実施態様では、膜ユニットから該冷却ユニットへエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを供給し、冷却ユニットにて、そのエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを凝結させて、エタノールおよび水の液体透過気化混合物にする。本発明のこの好ましい実施態様では、冷却ユニットから該蒸留ユニットにエタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリームを供給する。本発明のこの好ましい実施態様では、蒸留工程において、蒸留ユニットにて、エタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリームをエタノールおよび水の気化混合物のストリームと水のストリームとに分割する。本発明のこの好ましい実施態様では、蒸留ユニットからエバポレーターへエタノールおよび水の気化混合物のストリームを戻す。更なる処理のために、膜ユニットからエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを供給するこの好ましい実施態様が有する利点は、それが、更にまたは追加で、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームから水を分離させることである。エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームから分離した水を工程から除去することができ、この水には基本的にエタノールが存在しない（例えば０．２％より少ないエタノールしか含まない）ため、この水の処理は通常難しくない。低いエタノール含有量のおかげで、例えば、下水処理設備における起こりうる更なる処理のために、その水を下水システムに供給することができる。更なる処理のために、膜ユニットからエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを供給するこの好ましい実施態様が有するもう１つの利点は、それがエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリームを脱水、即ち濃縮させること、ならびに蒸留ユニットからエバポレーターへエタノールおよび水の濃縮混合物を供給することによって、エバポレーターにてエタノールおよび水の脱水混合物、即ち濃縮混合物を再利用を提供することである。
本発明の好ましい実施態様では、ゼオライトＮａＡのようなゼオライト材料を含んで成る膜を有して成る膜を膜ユニットに用いることが好ましい。ゼオライト膜における水およびエタノールの分離は、ゼオライト膜を通過する水分子およびエタノール分子の吸着ならびに拡散速度の違いに基づく。ゼオライト膜の利点は、それらの比較的高い最高動作温度であり、それは蒸気供給物の温度および圧力を、例えばポリマー膜と比べて高くすることができることを意味する。言い換えると、この好ましい実施態様では、蒸気再圧縮ユニットから、ゼオライトＮａＡのようなゼオライト材料を含んで成る膜を有して成る膜ユニットへ供給されるエタノールおよび水の加圧した気化混合物の温度を高くすることができる。このことは、膜ユニットにてエタノールおよび水の加圧した気化混合物からエタノールを効果的に分離させる。
本発明の好ましい実施態様では、エタノールおよび水の気化混合物を膜ユニットに入れる前に、蒸気再圧縮ユニットにてエタノールおよび水の気化混合物の温度を１３５℃以上まで、好ましくは１５０℃以上まで、より好ましくは約１７０℃まで上げる。１４０℃以上、好ましくは１５０℃以上まで、より好ましくは約１７０℃までの温度は、膜ユニットにてエタノールと水を効果的に分離させる。なぜなら、エタノールおよび水の加圧した気化混合物の高い温度は、例えば保持側（ｒｅｔｅｎｔａｔｅ ｓｉｄｅ）が５，５バール、透過側（ｐｅｒｍｅａｔｅ ｓｉｄｅ）が１００ミリバールなど、膜ユニットにおける膜の両側の間で高い圧力差を生じさせ、そのことは膜を通過する水分子を効果的に透過させる、言い換えるとエタノールと水を効果的に分離させる。
本発明の好ましい実施態様では、エタノールおよび水の気化混合物を、ゼオライト材料を含んで成る膜、即ちゼオライト膜を有して成る膜ユニットに入れる前に、蒸気再圧縮ユニットにてエタノールおよび水の気化混合物の温度を１４０℃以上まで、好ましくは１５０℃以上まで、より好ましくは約１７０℃まで上げる。１４０℃以上、好ましくは１５０℃以上まで、より好ましくは約１７０℃までの温度は、膜ユニットにおけるゼオライト膜にてエタノールを水と効果的に分離させる。なぜなら、エタノールおよび水の加圧した気化混合物の高い温度は、膜ユニットにおけるゼオライト膜の側の間で高い圧力差を生じさせ、そのことは、膜を通過する水分子を効果的に透過させる、言い換えると、エタノールと水を効果的に分離させる。
図面一覧
以下において、図面を参照することによって、本発明をより詳細に説明する。
以下において、図面を参照することによって、本発明をより詳細に説明する。
本発明の詳細な説明
図面は、本発明に基づく方法および装置の実施例を示す。
図面は、本発明に基づく方法および装置の実施例を示す。
図１〜３に示す装置は、エタノールおよび水の混合物１を受容し、エタノールおよび水の混合物１を蒸発させるためのエバポレーター２を有して成る。エタノールおよび水の混合物１は、体積で約８０％のエタノール含有量を有することが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
図面において、エバポレーターは、エタノールおよび水の混合物を加熱し気化させるためのボイラー１５、ならびにボイラー１５を通ってエタノールおよび水の気化混合物を循環させるための循環手段１３および１４を有して成る。図面において、エタノールおよび水の混合物１を加熱するために、ボイラー１５は、ボイラー１５の熱交換手段を通って循環する流体１６および１７から、ボイラー１５を通って循環するエタノールおよび水の混合物へ熱エネルギーを移動させるための熱交換手段（図面には図示せず）を有して成る。
図１〜３に図示する装置は、エタノールおよび水の気化混合物のストリーム３をエバポレーター２から、エタノールおよび水の該気化混合物３を加圧し、かつその温度を上げるための蒸気再圧縮ユニット４へ供給するための第１導管手段２７も有して成る。
図１〜３に図示する装置は、エタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム５を蒸気再圧縮ユニット４から、エタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム５を、エタノールおよび水の混合物のストリーム８とエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム７、即ちエタノールおよび水の加圧した気化混合物の該ストリーム５よりも少ない水しか含まないエタノールおよび水の混合物のストリーム７とに分割するための膜ユニット６へ供給するための第２導管手段２８も有して成る。
蒸気再圧縮ユニット４から膜ユニット６へエタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム５を連続的に供給するように装置を構成することが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
蒸気透過工程において、例えば５，５バールの圧力のエタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム５を、例えば１００ミリバールの圧力のエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８とエタノールおよび水蒸気の脱水混合物の保持液ストリーム７とに分割するように、エタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム５を分割するための膜ユニット６を構成することが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
膜ユニット６は：半透膜、多孔質膜、セラミック膜、分子ふるい、ゼオライトＮａＡのようなゼオライト材料を含んで成る膜、およびゼオライト膜の少なくとも１種を有して成ることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
蒸気再圧縮ユニット４は：機械的な蒸気再圧縮ユニットおよび熱的な蒸気再圧縮ユニットの少なくとも１種を有して成ることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
図１〜３に示す装置は、膜ユニット６からエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム７を供給する第３導管手段２９を有して成る。エタノールおよび水の脱水混合物のこのストリーム７は、体積で約９９．７％〜約９９．８％のエタノール含有量を有することが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
蒸気透過工程においてエタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム５を、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８とエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリーム７とに分割するように、エタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム５を分割するための膜ユニット６を構成する場合、第３導管手段２９は、膜ユニット６からエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリーム７を供給するように構成される。
好ましい実施態様において、装置は、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８を膜ユニット６から、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過透過ストリーム８をエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム１２と水のストリーム２５とに分割するための脱水手段３４へ供給するための第４導管手段３０を有して成る。この実施態様において、装置は、脱水ユニット３４からエバポレーター２へエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム１２を供給するための第６導管手段３２、ならびに脱水ユニット３４から水のストリーム２５を排出するための第７導管手段３３も有して成る。
図３に示す装置は、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８を膜ユニット６から、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過透過ストリーム８をエタノールおよび水の気化させた脱水混合物のストリーム１２と水のストリーム２５とに分割するための脱水手段３４へ供給するための第５導管手段３０を有して成る。
図３に示す装置は、脱水ユニット３４からエバポレーター２へエタノールおよび水の気化させた脱水混合物のストリーム１２を供給するための第６導管手段３２も有して成る。
図３に示す装置は、脱水ユニット３４から水のストリーム２５を排出するための第７導管手段３３も有して成る。
図２に示す装置において、脱水ユニット３４は、冷却ユニット９および蒸留ユニット１１を有して成る。
図２に示す装置は、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８を膜ユニット６から、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８をエタノールおよび水の液体透過気化混合物１０へ凝結させるための冷却ユニット９へ供給するための第４導管手段３０を有して成る。
図２において、冷却ユニット９は、冷却ユニットを通って冷却流体１８および１９を循環させるための循環システムを設けている。該冷却流体１８および１９として、エタノールおよび水の気化混合物の該気化透過ストリーム８より低い温度の、装置内の流体流れを用いてよい。
図２に示す装置は、エタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリーム１０を冷却ユニット９から、蒸留工程においてエタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリーム８をエタノールおよび水の気化混合物のストリーム１２と水のストリーム２５とに分割するための蒸留ユニット１１へ供給する、第５導管手段３１を有して成る。蒸留ユニット１１は、蒸留カラムを有して成ることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
図２において、蒸留ユニット１１は、蒸留ユニット１１の底部液体２１および２２を沸騰させることによって蒸留ユニット１１に熱を供給するリボイラー２０を設けている。リボイラーは、底部液体２１および２２ならびに加熱流体２３および２４を循環させることができる熱交換器を設けており、加熱流体２３および２４の熱エネルギーは底部液体２１および２２を加熱することができる。
図２に示す装置は、蒸留ユニット１１からエバポレーター２へエタノールおよび水の気化混合物のストリーム１２を供給するための第６導管手段３２を有して成る。
図２に示す装置は、蒸留ユニット１１から水２５を供給するための第７導管手段３３を有して成る。
図１〜３に示す装置は、蒸気再圧縮ユニット３４からエバポレーターへ蒸気２６を供給するための第８導管手段３４を有して成る。
図１〜３に示す装置は、装置の種々のデバイスを通って所望の流れを生じさせるための、例えば真空ポンプなどのポンプおよび／または例えば真空コンプレッサーなどのコンプレッサーのような、少なくとも１つの流動手段も有して成ることが好ましいが、必ずしもそうであるとは限らない。
次に、本発明は、エタノールおよび水の混合物を脱水するための方法にも関する。
方法は、エタノールおよび水の混合物１をエバポレーター２に供給する工程を含んで成る。エタノールおよび水の混合物１は、体積で約８０％のエタノール含有量を有することが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
方法は、エバポレーター２にてエタノールおよび水の該混合物１を蒸発させ、かつエバポレーター２から蒸気再圧縮ユニット４へエタノールおよび水の気化混合物のストリーム３を供給する工程を含んで成る。
方法は、蒸気再圧縮ユニット４にてエタノールおよび水の気化混合物３を加圧し、その温度を上昇させ、蒸気再圧縮ユニット４から膜ユニット６へエタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム５を供給する工程を含んで成る。より好ましくは、方法は、蒸気再圧縮ユニット４にてエタノールおよび水の気化混合物３を加圧し、その温度を上昇させ、かつ蒸気再圧縮ユニット４から膜ユニット６へエタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム５を連続的に供給する工程を含んで成る。エタノールおよび水の気化混合物３の温度を１５０℃以上まで、好ましくは約１７０℃まで上昇させることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。高温はエタノールを水と効果的に分離させる。
方法は、膜ユニット６にてエタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム５を、エタノールおよび水の混合物のストリーム８に分割し、膜ユニット６からそのエタノールおよび水の混合物のストリーム８を供給し、かつエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム７に分割し、膜ユニット６からそのエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム７を供給する工程を含んで成る。その方法のこの工程は、蒸気透過工程において、膜ユニット６にてエタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム５を、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８に分割して、膜ユニット６からそのエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８を供給し、かつエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリーム７に分割して、膜ユニット６からそのエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリーム７を供給する工程の形態であることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。エタノールおよび水の脱水混合物のこのストリーム７は、体積で約９９．７〜約９９．８％のエタノール含有量を有することが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
方法において、半透膜、多孔質膜、セラミック膜、分子ふるい（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ）を含んで成る膜、ゼオライト材料を含んで成る膜、およびゼオライト膜の少なくとも１種を膜ユニット６に用いることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。特に、エタノールおよび水の気化混合物３の温度を蒸気再圧縮ユニットにて１５０℃以上まで、好ましくは約１７０℃まで上げる場合、熱に耐えるゼオライトの能力のため、ゼオライト材料を含んで成る膜を膜ユニット６に用いることが好ましい。
方法において、機械的蒸気再圧縮ユニットおよび熱的蒸気再圧縮ユニットの少なくとも１種を蒸気再圧縮ユニットに用いることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
方法の好ましい実施態様では、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８を膜ユニット６から、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８をエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム１２と水のストリームとに分割するための脱水手段３４へ供給する。示された方法のこの好ましい実施態様では、脱水手段３４から水のストリーム２５を排出し、かつエバポレーター２へエタノールおよび水の脱水混合物のストリームを供給する。
図３に示す方法において、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８を膜ユニット６から、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８をエタノールおよび水の気化させた脱水混合物のストリーム１２と水のストリームとに分割するための脱水手段３４へ供給する。
図３に示す方法において、脱水手段３４から水のストリーム２５を排出し、エバポレーター２へエタノールおよび水の気化させた脱水混合物のストリーム１２を供給する。
図２に示す方法において、冷却ユニット９および蒸留ユニット１１を有して成る脱水手段３４を用いる。
図２に示す方法において、膜ユニット６から冷却ユニット９へエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８を供給する。
図２に示す方法では、冷却ユニット９にて、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム８をエタノールおよび水の液体透過気化混合物１０へ凝結させ、かつ蒸留ユニット１１にそのエタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリーム１０を供給し、その蒸留ユニットは、必ずしもそうである必要はないが好ましくは蒸留カラムを有して成る。
図２に示す方法において、蒸留工程において、蒸留ユニット１１にてエタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリーム１０をエタノールおよび水の気化混合物のストリーム１２と水のストリーム２５とに分割する。
図２に示す方法において、蒸留ユニット１１の底部液体２１および２２を、液体ストリーム２３および２４によって加熱されるリボイラー２０にて循環させる。
図２に示す方法において、蒸留ユニット１１からエバポレーター２へエタノールおよび水の気化混合物のストリーム１２を供給する。
図２に示す方法において、蒸留ユニット１１から水２５を供給する。
方法は、装置の種々のデバイスを通る所望の流れを生じさせるための、例えば真空ポンプなどのポンプおよび／または例えば真空コンプレッサーなどのコンプレッサーのような少なくとも１つの流れ手段によって、方法に用いられるデバイスの少なくとも１つを通って、方法のストリームの少なくとも１つを押し出すおよび／または吸い込む工程も含んで成ることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
方法は、流れ１と流れ７との間で熱を交換する熱交換器に流れ７を流すことによる熱交換、ならびに／または熱交換器１５および／もしくは熱交換器２０へ流れ７を流すことによる熱交換も含んで成ることが好ましいが、必ずしもそうである必要はなく、熱交換器は、生成したエタノール蒸気を凝結させ、または部分的に凝結させて液体にし、容器２および／または容器１１にてエタノール−水供給物を沸騰させる。
実施例
実施例において、図２に示す装置に対応する装置を用いた。
実施例において、図２に示す装置に対応する装置を用いた。
エバポレーターに、１時間あたりエタノールおよび水の８０％混合物を５１４０ｋｇ供給した。膜ユニットから、１時間あたりエタノールおよび水の９９．８％混合物を４４４０ｋｇ得た。実施例では、エバポレーターにて４３０ｋＷの熱エネルギーを使用し、蒸留ユニットのボイラーにて８５ｋＷの熱エネルギーを使用し、ならびに蒸気再圧縮ユニットにてバリアスチームとして２２ｋＷの熱エネルギーを使用した。更に、蒸気再圧縮ユニットのコンプレッサーを駆動させるために、７５ｋＷの電気エネルギーを用いた。言い換えると、熱エネルギーの消費量は、エタノールおよび水の８０％混合物５１４０ｋｇに対して５３７ｋＷであり（０．１０４ｋＷ／ｋｇ）、電気エネルギーの消費量は、エタノールおよび水の８０％混合物５１４０ｋｇに対して７５ｋＷであり（０．０１４６ｋＷ／ｋｇ）、このことは、エタノールおよび水の８０％混合物を脱水してエタノールおよび水の９９．８％混合物にするために、８０％エタノール１ｋｇあたり０．１１８６ｋＷ使用したことを意味する。
先進的な技術として、本発明の基本概念を種々の方法で実施できることは、当業者にとって明らかなことである。従って、本発明およびその実施態様は、上記の実施例に限定されず、請求項の範囲内で変化し得る。
参照番号一覧
１ エタノールおよび水の混合物
２ エバポレーター
３ エタノールおよび水の気化混合物のストリーム
４ 蒸気再圧縮ユニット
５ エタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム
６ 膜ユニット
７ エタノールおよび水の脱水混合物のストリーム
８ エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム
９ 冷却ユニット
１０ エタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリーム
１１ 蒸留ユニット
１２ エタノールおよび水の気化させた脱水混合物のストリーム
１３ 循環手段
１４ 循環手段
１５ ボイラー
１６ 流体
１７ 流体
１８ 冷却流体
１９ 冷却流体
２０ リボイラー
２１ 底部液体
２２ 底部液体
２３ 加熱流体
２４ 加熱流体
２５ 水のストリーム
２６ 蒸気
２７ 第１導管手段
２８ 第２導管手段
２９ 第３導管手段
３０ 第４導管手段
３１ 第５導管手段
３２ 第６導管手段
３３ 第７導管手段
３４ 第８導管手段
３５ 脱水手段
１ エタノールおよび水の混合物
２ エバポレーター
３ エタノールおよび水の気化混合物のストリーム
４ 蒸気再圧縮ユニット
５ エタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム
６ 膜ユニット
７ エタノールおよび水の脱水混合物のストリーム
８ エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム
９ 冷却ユニット
１０ エタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリーム
１１ 蒸留ユニット
１２ エタノールおよび水の気化させた脱水混合物のストリーム
１３ 循環手段
１４ 循環手段
１５ ボイラー
１６ 流体
１７ 流体
１８ 冷却流体
１９ 冷却流体
２０ リボイラー
２１ 底部液体
２２ 底部液体
２３ 加熱流体
２４ 加熱流体
２５ 水のストリーム
２６ 蒸気
２７ 第１導管手段
２８ 第２導管手段
２９ 第３導管手段
３０ 第４導管手段
３１ 第５導管手段
３２ 第６導管手段
３３ 第７導管手段
３４ 第８導管手段
３５ 脱水手段
Claims (19)
- エタノールおよび水の混合物を脱水するための方法であって、
エバポレーター（２）にエタノールおよび水の混合物（１）を供給する工程、
エバポレーター（２）にてエタノールおよび水の該混合物（１）を蒸発させ、エバポレーター（２）から蒸気再圧縮ユニット（４）へエタノールおよび水の気化混合物のストリーム（３）を供給する工程、
蒸気再圧縮ユニット（４）にてエタノールおよび水の気化混合物（３）を加圧し、蒸気再圧縮ユニット（４）から膜ユニット（６）へエタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム（５）を供給する工程、ならびに
膜ユニット（６）にて、エタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム（５）をエタノールおよび水の混合物のストリーム（８）に分割して、膜ユニット（６）からエタノールおよび水の気化混合物のストリーム（８）を供給し、かつエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム（７）に分割して、膜ユニット（６）からエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム（７）を供給する工程
を有することにより特徴付けられる方法。 - 半透膜、多孔質膜、セラミック膜、分子ふるい（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ）を含んで成る膜およびゼオライト材料を含んで成る膜の少なくとも１種を膜ユニット（６）に用いることにより特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
- 蒸気再圧縮ユニットに、機械的な蒸気再圧縮ユニットおよび熱的な蒸気再圧縮ユニットの少なくとも１種を蒸気再圧縮ユニットに用いることにより特徴付けられる、請求項１または請求項２に記載の方法。
- 蒸気透過工程において、膜ユニット（６）にてエタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム（５）を、（ｉ）エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）に分割して、膜ユニット（６）からエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）を供給し、かつ（ｉｉ）エタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリーム（７）に分割して、膜ユニット（６）からエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリーム（７）を供給することにより特徴付けられる、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の方法。
- 蒸気再圧縮ユニット（４）から膜ユニット（６）へ、エタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム（５）を連続的に供給することにより特徴付けられる、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法。
- エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）を膜ユニット（６）から、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）を（ｉ）エタノールおよび水の脱水混合物のストリーム（１２）と（ｉｉ）水のストリーム（２５）とに分割するための脱水手段（３４）へ供給すること、
脱水手段（３４）から水のストリーム（２５）を排出すること、ならびに
エバポレーター（２）へエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム（１２）を供給すること
により特徴付けられる、請求項４または請求項５に記載の方法。 - エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）を膜ユニット（６）から、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）を（ｉ）エタノールおよび水の気化させた脱水混合物のストリーム（１２）と（ｉｉ）水のストリーム（２５）とに分割するための脱水手段（３４）へ供給すること、
脱水手段（３４）から水のストリーム（２５）を排出すること、ならびに
エバポレーター（２）にエタノールおよび水の気化させた脱水混合物のストリーム（１２）を供給すること
により特徴付けられる、請求項４または請求項５に記載の方法。 - 冷却ユニット（９）および蒸留ユニット（１１）を有して成る脱水手段（３４）を用いること、
膜ユニット（６）から冷却ユニット（９）へエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）を供給すること、
冷却ユニット（９）にてエタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）をエタノールおよび水の液体透過気化混合物（１０）へ凝結させ、蒸留ユニット（１１）にエタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリーム（１０）を供給すること、ならびに
蒸留工程において、蒸留ユニット（１１）にてエタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリーム（８）を、エタノールおよび水の気化混合物のストリーム（１２）と水のストリーム（２５）とに分割すること
により特徴付けられる、請求項７に記載の方法。 - 蒸留ユニット（１１）からエバポレーター（２）へエタノールおよび水の気化混合物のストリーム（１２）を供給することにより特徴付けられる、請求項８に記載の方法。
- エタノールおよび水の混合物を脱水するための装置であって、
エタノールおよび水の混合物（１）を受容し、かつエタノールおよび水の混合物（１）を蒸発させるためのエバポレーター（２）、
エタノールおよび水の気化混合物のストリーム（３）をエバポレーター（２）から、エタノールおよび水の該気化混合物（３）を加圧するための蒸気再圧縮ユニット（４）へ供給するための第１導管手段（２７）、ならびに
エタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム（５）を蒸気再圧縮ユニット（４）から、エタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム（５）をエタノールおよび水の気化混合物のストリーム（８）とエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム（７）とに分割するための膜ユニット（６）へ供給するための第２導管手段（２８）
を有して成ることにより特徴付けられる装置。 - 膜ユニット（６）は、半透膜、多孔質膜、セラミック膜、分子ふるい、およびゼオライト材料を含んで成る膜の少なくとも１種を有して成ることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
- 蒸気再圧縮ユニット（４）は、機械的な蒸気再圧縮ユニットおよび熱的な蒸気再圧縮ユニットの少なくとも１種を有して成ることを特徴とする、請求項１０〜請求項１１のいずれかに記載の装置。
- 再圧縮ユニット（４）は、蒸気再圧縮ユニット（４）から膜ユニット（６）へエタノールおよび水の加圧した気化混合物のストリーム（５）を連続的に供給するように構成されていることを特徴とする、請求項１０〜請求項１２のいずれかに記載の装置。
- 膜ユニット（６）は、蒸気透過工程において、エタノールおよび水の加圧混合物の該ストリーム（５）を、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）とエタノールおよび水の脱水混合物の保持液ストリーム（７）とに分割するように構成されていることを特徴とする、請求項１０〜請求項１３のいずれかに記載の装置。
- エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）を膜ユニット（６）から、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過透過ストリーム（８）をエタノールおよび水の脱水混合物のストリーム（１２）と水のストリーム（２５）とに分割するための脱水ユニット（３４）へ供給するための第４導管手段（３０）、
エタノールおよび水の脱水混合物のストリーム（１２）を脱水ユニット（３４）からエバポレーター（２）へ供給するための第６導管手段（３２）、
ならびに、水のストリーム（２５）を脱水ユニット（３４）から排出するための第７導管手段（３３）
により特徴付けられる、請求項１４に記載の装置。 - エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）を膜ユニット（６）から、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過透過ストリーム（８）をエタノールおよび水の気化させた脱水混合物のストリーム（１２）と水のストリーム（２５）とに分割するための脱水ユニット（３４）へ供給するための第４導管手段（３０）、
エタノールおよび水の気化させた脱水混合物のストリーム（１２）を脱水ユニット（３４）からエバポレーター（２）へ供給するための第６導管手段（３２）、
ならびに、水のストリーム（２５）を脱水ユニット（３４）から排出するための第７導管手段（３３）
により特徴付けられる、請求項１４に記載の装置。 - 冷却ユニット（９）および蒸留ユニット（１１）を有する脱水ユニット（３４）、
エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）を膜ユニット（６）から、エタノールおよび水の気化混合物の気化透過ストリーム（８）をエタノールおよび水の液体透過気化混合物（１０）へ凝結させるための冷却ユニット（９）へ供給するための第４導管手段（３０）、ならびに
エタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリーム（１０）を冷却ユニット（９）から、蒸留工程におけるエタノールおよび水の気化混合物の液体透過ストリーム（１０）をエタノールおよび水の気化混合物のストリーム（１２）と水のストリーム（２５）とに分割するための蒸留ユニット（１１）へ供給する第５導管手段（３１）
により特徴付けられる、請求項１６に記載の装置。 - エタノールおよび水の気化混合物のストリーム（１２）を蒸留ユニット（１１）からエバポレーター（２）へ供給するための第６導管手段（３２）により特徴付けられる、請求項１７に記載の装置。
- エタノールおよび水の混合物を、エタノール含有量が約８０％〜約９９．８％に濃縮させるための、請求項１〜請求項９のいずれかに記載の方法の使用または請求項１０〜請求項１８のいずれかに記載の装置。
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