JP2014014729A - 分離方法及び分離装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】分離方法における工程の連続化を図るとともに、分離対象となる成分を溶かした溶剤と残りの流体とを確実に分離した状態でセトラーから導出できるようにする。
【解決手段】分離方法は、溶解工程において特定成分が溶けた溶剤と残りの流体とのうち比重が小さい方の軽質流体をセトラー12,22,32から上側導出路15,25,35を通じて導出するとともに、特定成分が溶けた溶剤と残りの流体とのうち比重が大きい方の重質流体をセトラー12,22,32から下側導出路16,26,36を通じて導出する導出工程を備え、導出工程では、セトラー12,22,32内における軽質流体と重質流体との間の界面の高さ位置がセトラー12,22,32に対する上側導出路15,25,35の接続部の高さ位置と下側導出路16,26,36の接続部の高さ位置との間で維持されるように上側導出路15,25,35に導出される軽質流体の流量を制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、特定成分を含む対象流体から溶剤へ前記特定成分を溶かすことによって特定成分を対象流体から分離する分離方法及び分離装置に関するものである。
従来、対象流体から特定成分を分離するための種々の分離方法が知られており、その分離方法の一例が下記非特許文献1に示されている。
具体的には、下記非特許文献1では、分離方法の一例として、対象流体である原液から溶剤によって目的成分を抽出する抽出方法が開示されている。この非特許文献1に開示されている抽出方法は、複数のミキサー(攪拌槽)と複数のセトラーを組み合わせた装置を用いて単抽出を繰り返し行う多段抽出である。詳しくは、この抽出方法では、1段目のミキサーにおいて原液と溶剤とが攪拌混合されて抽出が行われ、その原液と溶剤との混合液が1段目のセトラーに導入されてそのセトラー内で目的成分が溶けた溶剤からなる抽出液と目的成分の含有率が低下した残りの液体である抽残液とに比重差によって分離される。1段目のセトラーには、上下に分かれて上側導出路と下側導出路が接続されており、抽出液は、上側導出路を通じてセトラーから導出され、抽残液は、下側導出路を通じてセトラーから導出される。そして、抽残液は、2段目のミキサーに導入されるとともに、そのミキサーに新たな溶剤が導入されて攪拌混合され、再度抽出が行われる。この2段目のミキサーで混合された混合液は、2段目のセトラーに導入されて1段目と同様に抽出液と抽残液に分離される。このようなミキサーによる攪拌混合と、セトラーによる分離とが繰り返し行われる。
「そこが知りたい化学の話「分離技術」」 日刊工業新聞社 2008年6月28日 初版1刷発行 103ページ
しかしながら、上記の抽出方法のような分離方法では、工程を連続化するとともに、目的成分を溶かした溶剤(抽出液)と残りの液体(抽残液)とをセトラーから確実に相互に混入させずに導出できるようにすることは困難である。その理由は、以下の通りである。
上記方法では、ミキサーにおいて攪拌混合が行われるため、目的成分が溶けた溶剤と残りの液体とがエマルションのような分離しにくい状態となる。このため、その後のセトラーでの分液に時間がかかり、工程の連続化が難しくなる。また、上記方法では、装置の運転状態等によって原液の供給流量が変動した場合には、セトラー内における抽出液と抽残液との界面の高さ位置が変動し、抽出液と抽残液の一方に他方が混入してセトラーから導出される虞がある。
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、分離方法における工程の連続化を図るとともに、分離対象となる成分を溶かした溶剤と残りの流体とを確実に分離した状態でセトラーから導出できるようにすることである。
上記目的を達成するためには、例えば、セトラーを大型化することが考えられる。この場合には、ミキサーで攪拌混合された流体がエマルション等の分離しにくい状態になっていても、大容量のセトラーでその流体の分離に要する時間を吸収でき、分離用の装置の運転開始後しばらくすれば、後段側へは前記残りの液体を連続的に流すことができるようになる。このため、工程の連続化が可能となる。また、セトラーを大型化すれば、セトラー内における目的成分を溶かした溶剤と残りの流体との界面の高さ位置の変動の許容幅が増えるため、原液の供給流量の変動に伴って前記界面の高さ位置が変動したときでも、セトラーから導出する二流体の相互混入を防ぐことが可能である。このため、分離対象となる成分を溶かした溶剤と残りの流体とを確実に分離した状態でセトラーから導出できる。
しかしながら、セトラーを大型化すれば、分離用の装置全体も大型化し、その装置の設置箇所に制約を受けるという問題が生じる。
そこで、本願発明者は、このような問題を解決するために以下のような分離方法及び分離装置を発明した。この発明による分離方法は、特定成分を含む対象流体から溶剤へ前記特定成分を溶かすことによって前記特定成分を前記対象流体から分離する分離方法であって、前記対象流体と前記溶剤とをスラグ流又は二層流の状態でマイクロチャネルに流すことによってそのマイクロチャネル内で前記対象流体から前記溶剤へ前記特定成分を溶かす溶解工程と、前記マイクロチャネルから排出された流体をセトラーに導入し、その流体を当該セトラー内で比重差によって前記特定成分が溶けた前記溶剤からなる流体と残りの流体とに分離する分離工程と、前記特定成分が溶けた流体と残りの流体とのうち比重が小さい方の流体である軽質流体を前記セトラーからそのセトラーに繋がる上側導出路を通じて導出するとともに、前記特定成分が溶けた流体と残りの流体とのうち比重が大きい方の流体である重質流体を前記セトラーからそのセトラーに対する前記上側導出路の接続部よりも下側の位置で当該セトラーに繋がる下側導出路を通じて導出する導出工程と、前記セトラー内における前記軽質流体と前記重質流体との間の界面の高さ位置が前記セトラーに対する前記上側導出路の接続部の高さ位置と前記セトラーに対する前記下側導出路の接続部の高さ位置との間で維持されるように、前記セトラーから前記上側導出路に導出される前記軽質流体の流量と前記セトラーから前記下側導出路に導出される前記重質流体の流量とのうち少なくとも一方の流量を制御する流量制御工程とを備えている。
この分離方法では、溶解工程において対象流体と溶剤をスラグ流又は二層流の状態でマイクロチャネルに流すため、その後の分離工程においてマイクロチャネルからセトラーに導入した流体を前記特定成分が溶けた溶剤からなる流体と残りの流体とに短時間で分離することができる。具体的には、対象流体と溶剤をスラグ流又は二層流の状態でマイクロチャネルに流すと、対象流体からの特定成分が溶けた溶剤と残りの流体とがスラグ流又は二層流の状態で流れてマイクロチャネルからセトラーに導入される。このスラグ流又は二層流の状態は、特定成分が溶けた溶剤と残りの流体とが相互に比較的分離した状態であるため、従来の攪拌層で流体を攪拌混合する場合に比べて、セトラーに導入された流体を短時間で前記特定成分が溶けた溶剤と残りの流体とに分離することができる。このため、セトラーを大型化することなく、工程の連続化を図ることができる。また、この分離方法では、セトラーから導出される流体の流量制御により、セトラー内の軽質流体と重質流体との間の界面の高さ位置がセトラーに対する上側導出路の接続部と下側導出路の接続部との間の高さ位置に維持されるので、対象流体の供給流量が変化しても、軽質流体と重質流体とのうちの一方が他方に混入してセトラーから上側導出路又は下側導出路に導出されるのを防ぐことができる。すなわち、特定成分が溶けた溶剤と残りの流体とをセトラーで確実に分離して導出することができる。そして、このように前記流量制御によってセトラーから導出する軽質流体と重質流体の相互間の混入を防ぐことができることから、対象流体の流量変動時にセトラー内での軽質流体と重質流体との間の界面の高さ位置の変動に対する許容幅を確保するためにセトラーを大きくする必要がない。この観点からもセトラーの小型化を図ることができ、当該分離方法に用いる装置の小型化を図ることができる。
上記分離工程において、前記溶解工程、前記分離工程、前記導出工程及び前記流量制御工程を含む分離操作を複数回繰り返し、その複数回の分離操作のうち後段の分離操作の前記溶解工程では、その1つ前の分離操作の前記導出工程で前記上側導出路に導出された前記軽質流体と前記下側導出路に導出された前記重質流体とのうち前記残りの流体に相当する方の流体を前記対象流体としてマイクロチャネルに流し、その流体に残留している前記特定成分を溶剤に溶かすことが好ましい。
この構成によれば、各回の分離操作の溶解工程毎に対象流体中の特定成分を比較的フレッシュな溶剤にそれぞれ溶かして、溶出の効率を向上することができる。このため、対象流体から特定成分の分離に要する総時間を短縮することができる。
この場合において、前記複数回の分離操作のうち特定回の分離操作の前記溶解工程では、その1つ後の分離操作の前記導出工程で前記上側導出路に導出される前記軽質流体と前記下側導出路に導出される前記重質流体とのうち前記特定成分が溶けた流体に相当する方の流体を、前記溶剤としてマイクロチャネルに流すことが好ましい。
この構成によれば、特定回の分離操作の溶解工程において特定成分を溶かした溶剤を前段の分離操作の溶解工程で溶剤として再利用することができるため、溶剤の使用量を削減することができる。また、この構成では、前段の分離操作の溶解工程において、後段の分離操作の溶解工程で特定成分を溶かした溶剤を使用することになるが、後段の分離操作で溶剤に溶ける特定成分の量は比較的少ないため、前段の特定成分の含有率が比較的高い対象流体から特定成分を溶出させるには十分使用可能である。このため、各段の分離操作の溶解工程において、対象流体から溶剤への特定成分の必要な溶出作用は確保することができる。
また、本発明による分離装置は、特定成分を含む対象流体から溶剤へ前記特定成分を溶かすことによって前記特定成分を前記対象流体から分離するための分離装置であって、前記対象流体と前記溶剤とをスラグ流又は二層流の状態で流し、その対象流体から溶剤へ前記特定成分を溶かすためのマイクロチャネルと、前記マイクロチャネルから排出される流体が導入されるように前記マイクロチャネルに接続され、前記マイクロチャネルから排出された流体を比重差によって前記特定成分が溶けた前記溶剤からなる流体と残りの流体とに分離するセトラーと、前記セトラーに接続され、前記セトラーから前記特定成分が溶けた流体と残りの流体とのうち比重が小さい方の流体である軽質流体を導出するための上側導出路と、前記セトラーに対する前記上側導出路の接続部よりも下側の位置で前記セトラーに接続され、前記セトラーから前記特定成分が溶けた流体と残りの流体とのうち比重が大きい方の流体である重質流体を導出するための下側導出路と、前記セトラー内における前記軽質流体と前記重質流体との間の界面の高さ位置が前記セトラーに対する前記上側導出路の接続部の高さ位置と前記セトラーに対する前記下側導出路の接続部の高さ位置との間で維持されるように、前記セトラーから前記上側導出路に導出される前記軽質流体の流量と前記セトラーから前記下側導出路に導出される前記重質流体の流量とのうち少なくとも一方の流量を制御する流量制御装置とを備えている。
この分離装置では、上記分離方法と同様に、工程の連続化を図るとともに、分離対象の特定成分を溶かした溶剤と残りの流体とを確実に分離した状態でセトラーから導出できるようにしつつ、当該分離装置の小型化を図ることができる。
以上説明したように、本発明によれば、分離方法における工程の連続化を図るとともに、分離対象となる成分を溶かした溶剤と残りの流体とを確実に分離した状態でセトラーから導出できるようにしつつ、当該分離方法に用いる分離装置の小型化を図ることができる。
本発明の第1実施形態による抽出方法に用いる抽出装置の構成を示す模式図である。 第1実施形態による抽出方法において、マイクロチャネル内をスラグ流の状態で流れる流体を示す模式図である。 第1実施形態による抽出方法において、マイクロチャネル内を二層流の状態で流れる流体を示す模式図である。 本発明の第2実施形態による抽出方法に用いる抽出装置の構成を示す模式図である。 本発明の第3実施形態による抽出方法に用いる抽出装置の構成を示す模式図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
まず、本発明の分離方法の第1実施形態として、対象流体から溶剤へ特定成分を溶かすことによってその特定成分を対象流体から抽出する抽出方法について説明する。
この第1実施形態による抽出方法では、図1に示すような構成の抽出装置を用いて抽出を行う。この抽出装置は、本発明の「分離装置」の概念に含まれるものである。この抽出装置は、第1供給ポンプ1と、第2供給ポンプ2と、第1溶剤流量調節バルブ3と、第2溶剤流量調節バルブ4と、第3溶剤流量調節バルブ5と、第1流量計6と、第2流量計7と、第3流量計8と、第4流量計9と、第1マイクロチャネル10と、第1セトラー12と、第1液面計14と、第1上側導出路15と、第1下側導出路16と、第1上側バルブ17と、第1下側バルブ18と、第2マイクロチャネル20と、第2セトラー22と、第2液面計24と、第2上側導出路25と、第2下側導出路26と、第2上側バルブ27と、第2下側バルブ28と、第3マイクロチャネル30と、第3セトラー32と、第3液面計34と、第3上側導出路35と、第3下側導出路36と、第3上側バルブ37と、第3下側バルブ38と、第1制御部40と、第2制御部44とを備えている。この抽出装置は、3段の抽出操作を行えるように構成されている。
第1供給ポンプ1は、1段目の抽出操作において抽出対象である特定成分を含む原液(対象流体)を供給するためのものであり、第2供給ポンプ2は、各段の抽出操作において原液から前記特定成分を溶かして抽出するための溶剤(抽剤)を供給するためのものである。
第1マイクロチャネル10は、数mm以下の相当直径を有する微細流路であり、1段目の抽出操作において、原液から溶剤へ前記特定成分を溶かして抽出するために原液と溶剤との合流流体をスラグ流又は二層流の状態で流すものである。
第1マイクロチャネル10の入口側には、第1供給ポンプ1と第2供給ポンプ2とがそれぞれ配管を介して接続されている。第1供給ポンプ1と第1マイクロチャネル10とを繋ぐ配管には、第1流量計6が設けられている。第1流量計6は、第1供給ポンプ1から第1マイクロチャネル10へ供給(吐出)される原液の流量を検出するものである。また、第2供給ポンプ2が接続されている配管は、3つに分岐しており、その分岐した配管(分岐管)の1つが第1マイクロチャネル10に接続されている。この第1マイクロチャネル10に接続された分岐管には、第2流量計7及び第1溶剤流量調節バルブ3が設けられている。第2流量計7は、第2供給ポンプ2から第1マイクロチャネル10へ供給(吐出)される溶剤の流量を検出するものである。第2流量計7は、第2制御部44と電気的に接続されており、検出した溶剤の流量のデータを第2制御部44へ送信する。第1溶剤流量調節バルブ3は、第1マイクロチャネル10に供給する溶剤の流量を設定するためのものである。第1溶剤流量調節バルブ3は、第2制御部44と電気的に接続されており、第2制御部44からの制御信号に応じて開度が設定され、それによって第1マイクロチャネル10に供給される溶剤の流量を設定流量に設定するようになっている。
第1マイクロチャネル10は、第1供給ポンプ1から供給される原液と第2供給ポンプ2から供給される溶剤とをその内部で合流させるように構成されている。第1マイクロチャネル10の出口側は、第1セトラー12に接続されている。第1セトラー12は、第1マイクロチャネル10から排出された合流流体を比重差により抽出液と抽残液とに分離するための分離槽である。なお、抽出液とは、原液から前記特定成分を溶かし出して抽出した後の溶剤のことである。また、抽残液とは、合流流体のうち抽出液以外の残りの流体のことであり、溶剤によってある程度の前記特定成分が抽出された後の原液に相当する。
第1液面計14は、第1セトラー12に取り付けられている。この第1液面計14は、第1セトラー12内における抽出液と抽残液との間の界面の高さ位置を検出するものである。この第1液面計10は、第1制御部40と電気的に接続されており、検出した界面の高さ位置のデータを第1制御部40へ送信する。
第1セトラー12には、第1上側導出路15と第1下側導出路16とが接続されている。第1上側導出路15は、第1セトラー12の上部に接続されており、第1下側導出路16は、第1セトラー12に対する第1上側導出路15の接続部よりも下側の位置で第1セトラー12に接続されている。すなわち、第1下側導出路16は、第1上側導出路15の接続部から下側に離間した第1セトラー12の下部に接続されている。第1セトラー12では、抽出液と抽残液とのうち比重が小さい方の流体である軽質流体が上側に浮かび、比重が大きい方の流体である重質流体が下側に沈む。このため、第1上側導出路15には、第1セトラー12から軽質流体が導出され、第1下側導出路16には、第1セトラー12から重質流体が導出されるようになっている。
第1上側導出路15には、第1セトラー12から当該第1上側導出路15に導出される軽質流体の流量を制御するための第1上側バルブ17が設けられ、第1下側導出路16には、第1セトラー12から当該第1下側導出路16に導出される重質流体の流量を制御するための第1下側バルブ18が設けられている。これら両バルブ17,18は、電磁制御弁である。第1上側バルブ17は、第1制御部40と電気的に接続されており、第1制御部40からの制御信号に応じて開度が制御され、それによって第1上側導出路15に流れる軽質流体の流量制御を行うようになっている。
以上の第1供給ポンプ1、第2供給ポンプ2、第1溶剤流量調節バルブ3、第1流量計6、第2流量計7、第1マイクロチャネル10、第1セトラー12、第1液面計14、第1上側導出路15、第1下側導出路16、第1上側バルブ17及び第1下側バルブ18によって、1段目の抽出操作を実施する部分が構成されている。2段目の抽出操作を実施する部分及び3段目の抽出操作を実施する部分は、1段目と基本的には同様に構成されている。
2段目の抽出操作を実施する部分は、第2供給ポンプ2と、第2溶剤流量調節バルブ4と、第3流量計8と、第2マイクロチャネル20と、第2セトラー22と、第2液面計24と、第2上側導出路25と、第2下側導出路26と、第2上側バルブ27と、第2下側バルブ28とによって構成されている。
第2マイクロチャネル20の入口側には、第1上側導出路15の下流側の端部が接続されているとともに、第2供給ポンプ2が配管を介して接続されている。第2供給ポンプ2が接続された配管の分岐管の1つが第2マイクロチャネル20に接続されており、その分岐管には、第3流量計8及び第2溶剤流量調節バルブ4が設けられている。第2供給ポンプ2は、第2マイクロチャネル20に新たな溶剤を供給し、第3流量計8は、その溶剤の流量を検出する。また、第2溶剤流量調節バルブ4は、第2制御部44によって開度が設定されて第2マイクロチャネル20に供給する溶剤の流量を設定する。第3流量計8、第2溶剤流量調節バルブ4及び第2制御部44に係る構成は、第2流量計7、第1溶剤流量調節バルブ3及び第2制御部44に係る上記構成と同様である。
第2マイクロチャネル20には、第1セトラー12で分離された軽質流体に相当する抽残液が第1上側導出路15を通じて導入されるようになっており、その抽残液から溶剤へその抽残液中に残存している前記特定成分を溶かして抽出するために、抽残液と新たな溶剤との合流流体をスラグ流又は二層流の状態で流す。第2マイクロチャネル20のこれ以外の構成は、第1マイクロチャネル10の構成と同様である。また、第2セトラー22、第2液面計24、第2上側導出路25、第2下側導出路26、第2上側バルブ27及び第2下側バルブ28に係る構成は、第1セトラー12、第1液面計14、第1上側導出路15、第1下側導出路16、第1上側バルブ27及び第1下側バルブ18に係る上記構成と同様である。
3段目の抽出操作を実施する部分は、第2供給ポンプ2と、第3溶剤流量調節バルブ5と、第4流量計9と、第3マイクロチャネル30と、第3セトラー32と、第3液面計34と、第3上側導出路35と、第3下側導出路36と、第3上側バルブ37と、第3下側バルブ38とによって構成されている。
第3マイクロチャネル30の入口側には、第2上側導出路25の下流側の端部が接続されているとともに、第2供給ポンプ2が配管を介して接続されている。第2供給ポンプ2が接続された配管の分岐管の1つが第3マイクロチャネル30に接続されており、その分岐管には、第4流量計9及び第3溶剤流量調節バルブ5が設けられている。第2供給ポンプ2は、第3マイクロチャネル30に新たな溶剤を供給し、第4流量計9は、その溶剤の流量を検出する。また、第3溶剤流量調節バルブ5は、第2制御部44によって開度が設定されて第3マイクロチャネル30に供給する溶剤の流量を設定する。第4流量計9、第3溶剤流量調節バルブ5及び第2制御部44に係る構成は、第2流量計7、第1溶剤流量調節バルブ3及び第2制御部44に係る上記構成と同様である。
また、第3マイクロチャネル30には、第2セトラー22で分離された軽質流体に相当する抽残液が第2上側導出路15を通じて導入されるようになっている。この第3マイクロチャネル30に係る構成は、第2マイクロチャネル20に係る構成と同様である。また、第3セトラー32、第3液面計34、第3上側導出路35、第3下側導出路36、第3上側バルブ37及び第3下側バルブ38に係る構成は、第2セトラー22、第2液面計24、第2上側導出路25、第2下側導出路26、第2上側バルブ27及び第2下側バルブ28に係る構成と同様である。
なお、第1マイクロチャネル10、第2マイクロチャネル20及び第3マイクロチャネル30は、それぞれ別々の流路構造体内に設けられていてもよく、また、同一の流路構造体内に設けられていてもよい。
第1制御部40は、第1〜第3上側バルブ17,27,37の開度を調節して、第1〜第3上側導出路15,25,35に流れる抽残液(軽質流体)の流量を制御するものである。当該第1制御部40と第1〜第3上側バルブ17,27,37とによって、各セトラー12,22,32から各上側導出路15,25,35に導出される抽残液(軽質流体)の流量を制御する流量制御装置42が構成されている。第1制御部40による具体的な制御内容は後述する。
第2制御部44は、上記したように、第2流量計7が検出する溶剤の流量のデータに基づいて第1溶剤流量調節バルブ3の開度を調節して第1マイクロチャネル10に供給する溶剤の流量を設定流量に調節し、第3流量計8が検出する溶剤の流量のデータに基づいて第2溶剤流量調節バルブ4の開度を調節して第2マイクロチャネル20に供給する溶剤の流量を設定流量に調節し、第4流量計9が検出する溶剤の流量のデータに基づいて第3溶剤流量調節バルブ5の開度を調節して第3マイクロチャネル30に供給する溶剤の流量を設定流量に調節するものである。
次に、以上のような抽出装置を用いた第1実施形態による抽出方法について、以下、具体的に説明する。
当該第1実施形態による抽出方法では、まず、第1マイクロチャネル10に、第1供給ポンプ1が抽出対象の特定成分を含む原液を供給するとともに第2供給ポンプ2が溶剤(抽剤)を供給する。原液としては、例えば、抽出対象の特定成分としてのフェノールを含むドデカン等の有機溶媒等が用いられ、溶剤としては、例えば、水等が用いられる。
第1マイクロチャネル10では、原液から溶剤へ特定成分を溶かして抽出するための溶解工程が行われる。具体的には、原液と溶剤が第1マイクロチャネル10に供給されることにより、原液と溶剤とが第1マイクロチャネル10内で合流され、その合流した原液と溶剤が当該第1マイクロチャネル10内でスラグ流又は二層流の状態で流れる。液体の流動形態としては、このようなスラグ流や二層流以外にエマルションでの流動状態が挙げられるが、スラグ流及び二層流は、一方の液体中に他方の液体が微粒子の状態で分散しているエマルションに比べて比較的分離させやすい流動状態である。
具体的には、スラグ流は、図2に示すように、微小長さの原液のスラグと微小長さの溶剤のスラグとがその流れ方向に沿って交互に並ぶように配置されて流れる状態である。二層流は、図3に示すように、原液と溶剤がその流れ方向に沿って並列に配置されて互いに平行に流れる状態である。原液と溶剤とが第1マイクロチャネル10をスラグ流と二層流のいずれの状態で流れるかは、原液と溶剤の供給流量、粘度等の性質、第1マイクロチャネル10の相当直径や断面形状、その他の各種要因によって決まる。原液と溶剤がスラグ流又は二層流の状態で第1マイクロチャネル10を下流側へ流れる過程において、原液と溶剤との間の界面を介して原液から溶剤へ抽出対象の特定成分が溶け出し、その特定成分の抽出が行われる。これにより、原液における前記特定成分の含有率は、溶剤にその特定成分が抽出された分だけ低下する。
そして、特定成分を抽出した溶剤からなる抽出液と、その特定成分の含有率が低下した原液からなる抽残液とが、第1マイクロチャネル10の出口から排出されて第1セトラー12に導入される。第1セトラー12内では、導入された液体を抽出液と抽残液とに分離する分離工程が行われる。具体的には、第1セトラー12内に導入された液体は、比重差によって軽質流体とその軽質流体よりも比重が大きい重質流体とに分離される。本実施形態では、抽残液が軽質流体に相当し、抽出液が重質流体に相当する。第1セトラー12内で、軽質流体は上側へ浮き、重質流体は下側へ沈む。
次に、第1セトラー12から抽残液(軽質流体)が第1上側導出路15に導出されるとともに抽出液(重質流体)が第1下側導出路16に導出される(導出工程)。
この際、第1セトラー12から第1上側導出路15に導出される抽残液の流量の制御が行われる(流量制御工程)。具体的には、第1制御部40が、第1液面計14によって検出された第1セトラー12内の抽残液と抽出液との間の界面の高さ位置のデータに基づいて、その界面の高さ位置が第1セトラー12に対する第1上側導出路15の接続部の高さ位置と第1セトラー12に対する第1下側導出路16の接続部の高さ位置との間で維持されるように、第1上側バルブ17の開度を調節することによって第1セトラー12から第1上側導出路15に導出される抽残液の流量を制御する。詳しくは、例えば、第1供給ポンプ1から供給される原液の流量が変化したときには、原液と溶剤の流量比が変化するため、第1セトラー12内における前記界面の高さ位置が変動する。このとき、第1制御部40は、第1液面計14によって検出される前記界面の高さ位置が上昇する場合には、第1上側バルブ17の開度を小さくして第1セトラー12から第1上側導出路15に導出される抽残液の流量を減らす一方、第1液面計14によって検出される前記界面の高さ位置が降下する場合には、第1上側バルブ17の開度を大きくして第1セトラー12から第1上側導出路15に導出される抽残液の流量を増やす。このようにして、原液の供給流量が変化した場合でも、第1セトラー12内における前記界面の高さ位置を第1上側導出路15の接続部の高さ位置と第1下側導出路16の接続部の高さ位置との間で維持する。
そして、本実施形態では、以上のような抽出操作(分離操作)をさらに2回繰り返し行う。すなわち、本実施形態では、抽出操作を合計3回行う。
2回目の抽出操作では、第1上側導出路15に導出された抽残液が第2マイクロチャネル20の入口側に導入されるとともに、第2供給ポンプ2から新たな溶剤が第2マイクロチャネル20の入口側に導入される。これにより、1段目の抽出操作において分離された抽残液と新たな溶剤とがスラグ流又は二層流の状態で第2マイクロチャネル20を流れ、その抽残液に残留している前記特定成分が新たな溶剤に溶かし出されて抽出される。この2回目の抽出操作の第2マイクロチャネル20における抽出工程(溶解工程)は、上記1回目の抽出操作の第1マイクロチャネル10における抽出工程(溶解工程)と同様である。そして、その後、第2セトラー22において、上記第1セトラー12での分離工程と同様の分離工程が行われ、第2セトラー22で分離された抽残液が第2上側導出路25に導出されるとともに抽出液が第2下側導出路26に導出される導出工程が上記1回目の抽出操作における導出工程と同様に行われる。さらに、第2液面計24によって検出された抽残液と抽出液との間の界面の高さ位置のデータに基づいた第1制御部40による第2上側導出路25への抽残液の導出流量の制御が、同様に行われる。
次に、3回目の抽出操作では、第2上側導出路25に導出された抽残液が第3マイクロチャネル30の入口側に導入されるとともに、第2供給ポンプ2から新たな溶剤が第3マイクロチャネル30の入口側に供給される。これにより、第3マイクロチャネル30では、第2マイクロチャネル20における抽出工程(溶解工程)と同様にして抽残液から新たな溶剤へ前記特定成分が抽出される。その後、2回目の抽出操作と同様にして、分離工程、導出工程及び流量制御工程が行われ、第3上側導出路35を通じて最終の抽残液が導出される。
この第1実施形態では、各回の抽出操作の溶解工程において原液又は前段の抽残液と溶剤とをスラグ流又は二層流の状態でマイクロチャネル10,20,30に流すため、その後の分離工程においてマイクロチャネル10,20,30からセトラー12,22,32に導入した流体を前記特定成分が溶けた溶剤(抽出液)と残りの流体(抽残液)とに短時間で分離することができる。具体的には、スラグ流又は二層流の状態で流れる抽出液と抽残液は、それら両液が相互に比較的分離した状態であるため、従来の攪拌層で流体を攪拌混合してその流体がエマルションになるような場合に比べて、セトラー12,22,32において分離しやすく、短時間で前記特定成分が溶けた抽出液と抽残液とに分離することができる。このため、分離時間の確保のためにセトラーを大型化することなく、工程の連続化を図ることができる。
また、この第1実施形態では、セトラー12,22,32から導出される抽残液の流量制御により、セトラー12,22,32内の抽残液(軽質流体)と抽出液(重質流体)との間の界面の高さ位置がセトラー12,22,32に対する上側導出路15,25,35の接続部と下側導出路16,26,36の接続部との間の高さ位置に維持されるので、原液の供給流量が変化しても、抽残液と抽出液の一方が他方に混入してセトラー12,22,32から上側導出路15,25,35又は下側導出路16,26,36に導出されるのを防ぐことができる。すなわち、特定成分が溶けた抽出液と抽残液とをセトラー12,22,32で確実に分離して導出することができる。そして、このような抽残液の流量制御によってセトラー12,22,32から導出する抽残液と抽出液の相互間の混入を防ぐことができることから、原液の流量変化に対するセトラー12,22,32内での抽残液と抽出液の間の界面の高さ位置の変動の許容幅を確保するためにセトラー12,22,32を大きくする必要がない。この観点からもセトラー12,22,32の小型化を図ることができ、抽出方法に用いる抽出装置の小型化を図ることができる。
また、この第1実施形態では、3段の抽出操作を繰り返し行い、後段の抽出操作の溶解工程では、その1つ前段の抽出操作の導出工程で導出された抽残液をマイクロチャネル20,30に流し、その抽残液に残留している特定成分を新たな溶剤に溶かす。溶剤は、抽出対象の成分を溶かした量が増えるにつれて溶出能力(抽出能力)が低下するため、このように各段の抽出操作の溶解工程においてそれぞれ新たな溶剤で原液又は前段の抽残液中の特定成分を溶かすことにより、溶出の効率を向上することができる。このため、抽出の全工程で要する総時間を短縮することができる。
(第2実施形態)
次に、図4を参照して、本発明の分離方法の第2実施形態としての抽出方法について説明する。この第2実施形態による抽出方法では、上記第1実施形態による抽出方法と異なり、各抽出段のセトラー12,22,23から上側導出路15,25,35に導出される抽残液の流量を、その抽出段のマイクロチャネル10,20,30に導入される原液又は抽残液の流量に応じて制御する。
具体的には、この第2実施形態による抽出方法で用いる抽出装置では、図4に示すように、第1上側導出路15に第3流量計52が設けられ、第2供給ポンプ2に接続された配管のうち第2マイクロチャネル20に接続された分岐管に第4流量計53が設けられている。また、第2上側導出路25に第5流量計54が設けられ、第2供給ポンプ2に接続された配管のうち第3マイクロチャネル30に接続された分岐管に第6流量計55が設けられている。第3流量計52は、第1セトラー12から第1上側導出路15に導出されて第2マイクロチャネル20へ供給される抽残液の流量を検出するものであり、第4流量計53は、第2供給ポンプ2から第2マイクロチャネル20へ供給される溶剤の流量を検出するものである。また、第5流量計54は、第2セトラー22から第2上側導出路25に導出されて第3マイクロチャネル30へ供給される抽残液の流量を検出するものであり、第6流量計55は、第2供給ポンプ25から第3マイクロチャネル30へ供給される溶剤の流量を検出するものである。
また、第1制御部40には、第1流量計6、第3流量計52及び第5流量計54が検出した流量のデータが送信されるようになっている。第1制御部40は、第1流量計6によって検出された第1供給ポンプ1からの原液の供給流量のデータに基づいて、第1上側バルブ17の開度を調整し、第1セトラー12から第1上側導出路15に導出される抽残液の流量を制御する。また、第1制御部40は、第3流量計52によって検出された第1セトラー12から第1上側導出路15への抽残液の導出流量のデータに基づいて、第2上側バルブ27の開度を調節し、第2セトラー22から第2上側導出路25に導出される抽残液の流量を制御する。また、第1制御部40は、第5流量計54によって検出された第2セトラー22から第2上側導出路25への抽残液の導出流量のデータに基づいて、第3上側バルブ37の開度を調節し、第3セトラー32から第3上側導出路35に導出される抽残液の流量を制御する。
また、第2制御部44は、第4流量計53によって検出された溶剤の流量のデータに基づいて、第2溶剤流量調節バルブ4の開度を調節し、第2マイクロチャネル20に供給する溶剤の流量を設定流量に設定する。また、第2制御部44は、第6流量計55によって検出された溶剤の流量のデータに基づいて、第3溶剤流量調節バルブ5の開度を調節し、第3マイクロチャネル30に供給する溶剤の流量を設定流量に設定する。
この第2実施形態による抽出方法で用いる抽出装置の上記以外の構成は、上記第1実施形態による抽出方法で用いる抽出装置の構成と同様である。
そして、この第2実施形態による抽出方法では、第1セトラー12から第1上側導出路15に導出される抽残液の流量制御工程において、第1制御部40が、第1流量計6によって検出された原液の供給流量のデータに基づいて、その原液の供給流量が増減した場合に、第1セトラー12から第1上側導出路15への抽残液の導出流量が原液の供給流量の増減率と同じ割合で増減するように第1上側バルブ17の開度を調節して第1セトラー12から第1上側導出路15への抽残液の導出流量を制御する。これにより、第1セトラー12内の抽残液と抽出液との間の界面の高さ位置が第1セトラー12に対する第1上側導出路15の接続部の高さ位置と第1セトラー12に対する第1下側導出路16の接続部の高さ位置との間で維持される。
具体的には、原液の供給流量が増加したときには、第1セトラー12に導入される抽残液の量が増加して前記界面の高さ位置が低下するが、原液の供給流量の増加率と同じ割合で第1セトラー12から第1上側導出路15への抽残液の導出流量が増加されることで前記界面の低下が抑えられ、当該界面の高さ位置が第1上側導出路15の接続部と第1下側導出路16の接続部との間で維持される。また、逆に原液の供給流量が減少したときには、第1セトラー12に導入される抽残液の量が減少して前記界面の高さ位置が上昇するが、原液の供給流量の減少率と同じ割合で第1セトラー12から第1上側導出路15への抽残液の導出流量が減少されることで前記界面の上昇が抑えられ、当該界面の高さ位置が第1上側導出路15の接続部と第1下側導出路16の接続部との間で維持される。
また、第1制御部40は、第2セトラー22から第2上側導出路25に導出される抽残液の流量制御工程において、第3流量計52によって検出された第1セトラー12から第1上側導出路15への抽残液の導出流量(第2マイクロチャネル20への抽残液の導入流量)のデータに基づいて、その抽残液の導出流量が増減した場合に、第2セトラー22から第2上側導出路25への抽残液の導出流量が第1セトラー12から第1上側導出路15への抽残液の導出流量の増減率と同じ割合で増減するように第2上側バルブ27の開度を調節して第2セトラー22から第2上側導出路25への抽残液の導出流量を制御する。これにより、上記第1セトラー12の場合と同様に、第2セトラー22内の抽残液と抽出液との間の界面の高さ位置が第2セトラー22に対する第2上側導出路25の接続部の高さ位置と第2セトラー22に対する第2下側導出路26の接続部の高さ位置との間で維持される。
また、第1制御部40は、第3セトラー32から第3上側導出路35に導出される抽残液の流量制御工程において、第5流量計54によって検出された第2セトラー22から第2上側導出路25への抽残液の導出流量(第3マイクロチャネル30への抽残液の導入流量)のデータに基づいて、上記と同様に、第3上側バルブ37の開度を調節して第3セトラー32から第3上側導出路35への抽残液の導出流量を制御する。これにより、上記と同様に、第3セトラー32内の抽残液と抽出液との間の界面の高さ位置が第3セトラー32に対する第3上側導出路35の接続部の高さ位置と第3セトラー32に対する第3下側導出路36の接続部の高さ位置との間で維持される。
この第2実施形態による抽出方法の上記以外の構成は、上記第1実施形態による抽出方法と同様である。この第2実施形態によれば、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第3実施形態)
次に、図5を参照して、本発明の分離方法の第3実施形態としての抽出方法について説明する。この第3実施形態による抽出方法では、前段の抽出操作の抽出工程(溶解工程)において、その1つ後段の抽出操作の導出工程で下側導出路26(36)に導出された抽出液を溶剤として当該前段のマイクロチャネル10(20)に流す。
具体的には、この第3実施形態による抽出方法で用いる抽出装置では、図5に示すように、第2下側導出路26が第1マイクロチャネル10の入口側に繋がっているとともに、第3下側導出路36が第2マイクロチャネル20の入口側に繋がっている。また、その第2下側導出路26に第1戻し用ポンプ62と第2流量計57が設けられ、第3下側導出路36に第2戻し用ポンプ63と第3流量計58が設けられている。また、第2供給ポンプ2に接続された配管は、分岐しておらず、第3マイクロチャネル30の入口側に接続されている。その第2供給ポンプ2と第3マイクロチャネル30とを繋ぐ配管に、第4流量計9が設けられている。また、この第3実施形態では、第1マイクロチャネル10及び第2マイクロチャネル20に新たな溶剤を供給するための構成及び第2制御部44は設けられていない。この第3実施形態の抽出方法で用いる抽出装置の上記以外の構成は、上記第1実施形態の抽出方法で用いる抽出装置の構成と同様である。
そして、この第3実施形態の抽出方法では、2段目の抽出操作の導出工程において第2セトラー22から第2下側導出路26に導出された抽出液(重質流体)が、第1戻し用ポンプ62によって送出されて1段目の抽出操作の抽出工程(溶解工程)における溶剤として第1マイクロチャネル10に導入される。また、この第3実施形態の抽出方法では、3段目の抽出操作の導出工程において第3セトラー32から第3下側導出路26に導出された抽出液(重質流体)が、第2戻し用ポンプ63によって送出されて2段目の抽出操作の抽出工程(溶解工程)における溶剤として第2マイクロチャネル20に導入される。
この第3実施形態による抽出方法の上記以外の構成は、上記第1実施形態による抽出方法と同様である。
この第3実施形態では、後段の抽出操作の溶解工程において特定成分を溶かした溶剤からなる抽出液を、その段の導出工程においてセトラー22(32)から導出し、1つ前段の抽出操作の抽出工程(溶解工程)で用いる溶剤として再利用できるため、溶剤の使用量を削減することができる。
なお、2段目の抽出操作の導出工程において第2セトラー22から導出される抽出液は、抽出対象の特定成分が溶けた溶剤であるが、2段目の抽出操作の対象流体である1段目の抽残液は、特定成分の含有率が原液に比べて低下していることから、この2段目の抽出操作において抽出液(溶剤)に溶けている特定成分の量は、1段目の抽出操作の抽出液の場合に比べて少なくなる。このため、この第2セトラー22から導出される抽出液を、1段目の抽出操作において特定成分の含有率の高い原液に対する抽出工程(溶解工程)で溶剤として用いても、特定成分の含有率が高い原液から十分に特定成分を溶かし出して抽出できる。また、3段目の抽出操作の導出工程において第3セトラー32から導出され、2段目の抽出操作用の溶剤として第2マイクロチャネル20に導入される抽出液についても同様のことが言える。
この第3実施形態によって得られる上記以外の効果は、上記第1実施形態によって得られる効果と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、上記実施形態では、対象流体及び溶剤が共に液体であるが、対象流体と溶剤の一方が、気体であってもよい。
また、上記実施形態では、上側バルブの開度を調節してセトラーから上側導出路に導出される軽質流体(抽残液)の流量を制御したが、その代わりに、下側バルブの開度を調節してセトラーから下側導出路に導出される重質流体の流量を制御することにより、セトラー内の軽質流体と重質流体の間の界面の高さ位置をそのセトラーに対する上側導出路の接続部の高さ位置と下側導出路の接続部の高さ位置との間で維持してもよい。この場合には、第1制御部と各下側バルブによって流量制御装置が構成される。
また、上側バルブによって上側導出路に導出される軽質流体の流量を制御するとともに、下側バルブによって下側導出路に導出される重質流体の流量を制御することによって、前記界面の高さ位置を上側導出路の接続部の高さ位置と下側導出路の接続部の高さ位置との間で維持するようにしてもよい。この場合には、第1制御部と各上側バルブ及び各下側バルブによって流量制御装置が構成される。
また、軽質流体が抽出液で、重質流体が抽残液であってもよい。この場合には、前段の下側導出路を後段のマイクロチャネルに接続して、前段のセトラーから下側導出路に導出された抽残液を後段のマイクロチャネルに導入するようにすればよい。そして、この場合には、セトラーから下側導出路に導出される抽残液の流量を下側バルブによって制御すればよい。
また、上記第2実施形態において、第1制御部が、第1流量計によって検出される原液の供給流量と第2流量計によって検出される溶剤の供給流量の両方のデータに基づいて第1上側バルブの開度を調節して第1セトラーから第1上側導出路に導出される抽残液の流量を制御するようにしてもよい。2段目及び3段目の抽出操作の流量制御工程においても、同様の流量制御を行ってもよい。
また、上記実施形態では、分離方法の一例としての抽出方法について説明したが、本発明はこのような抽出方法に限定されるものではない。本発明の分離方法の他の形態としては、例えば、対象流体から特定成分を溶剤に溶かして吸収する吸収方法が挙げられる。このような吸収方法にも、本発明を適用することができ、上記した抽出装置は、当該吸収方法を実施するための吸収装置として用いることができる。なお、吸収装置は、本発明の「分離装置」の概念に含まれる。この吸収方法では、例えば、特定成分としてのCOを含む気体を対象流体として、その対象流体からCOを溶剤としての水に吸収させる。この場合には、特定成分(CO)を吸収した溶剤(水)が重質流体となり、特定成分(CO)が吸収された後の対象流体としての気体が軽質流体となる。なお、このような例以外の対象流体と溶剤を用いた吸収方法で、特定成分を吸収した溶剤が軽質流体となり、特定成分が吸収された後の対象流体が重質流体となる場合には、前段の下側導出路を後段のマイクロチャネルに接続して、前段のセトラーから下側導出路に導出される重質流体を後段のマイクロチャネルに導入するようにすればよい。
上記第3実施形態では、上記第1実施形態の構成において後段の抽出液を前段のマイクロチャネルに溶剤として導入するように変形した構成を示したが、上記第2実施形態の構成を同様に変形してもよい。
また、上記各実施形態では、3段の抽出操作が行われる形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、1段のみ、2段、もしくは4段以上の抽出操作(分離操作)が行われる抽出方法(分離方法)及び抽出装置(分離装置)にも、本発明を適用することができる。
また、上記第1〜第3上側バルブに、そのバルブの開度調節を行う制御部が個別に設けられていて、その各制御部が対応する各バルブを対応する液面計からのデータ又は対応する流量計からのデータに基づいて開度調節するようにしてもよい。この場合には、第1制御部を設けなくてもよい。また、第1〜第3溶剤流量調節バルブにも、同様に、そのバルブの開度調節を行う制御部が個別に設けられていて、その各制御部が対応する各バルブを対応する流量計からのデータに基づいて開度調節するようにしてもよい。この場合には、第2制御部を設けなくてもよい。
10 第1マイクロチャネル
20 第2マイクロチャネル
30 第3マイクロチャネル
12 第1セトラー
22 第2セトラー
32 第3セトラー
15 第1上側導出路
16 第1下側導出路
25 第2上側導出路
26 第2下側導出路
35 第3上側導出路
36 第3下側導出路
42 流量制御装置

Claims (4)

  1. 特定成分を含む対象流体から溶剤へ前記特定成分を溶かすことによって前記特定成分を前記対象流体から分離する分離方法であって、
    前記対象流体と前記溶剤とをスラグ流又は二層流の状態でマイクロチャネルに流すことによってそのマイクロチャネル内で前記対象流体から前記溶剤へ前記特定成分を溶かす溶解工程と、
    前記マイクロチャネルから排出された流体をセトラーに導入し、その流体を当該セトラー内で比重差によって前記特定成分が溶けた前記溶剤からなる流体と残りの流体とに分離する分離工程と、
    前記特定成分が溶けた流体と残りの流体とのうち比重が小さい方の流体である軽質流体を前記セトラーからそのセトラーに繋がる上側導出路を通じて導出するとともに、前記特定成分が溶けた流体と残りの流体とのうち比重が大きい方の流体である重質流体を前記セトラーからそのセトラーに対する前記上側導出路の接続部よりも下側の位置で当該セトラーに繋がる下側導出路を通じて導出する導出工程と、
    前記セトラー内における前記軽質流体と前記重質流体との間の界面の高さ位置が前記セトラーに対する前記上側導出路の接続部の高さ位置と前記セトラーに対する前記下側導出路の接続部の高さ位置との間で維持されるように、前記セトラーから前記上側導出路に導出される前記軽質流体の流量と前記セトラーから前記下側導出路に導出される前記重質流体の流量とのうち少なくとも一方の流量を制御する流量制御工程とを備えた、分離方法。
  2. 前記溶解工程、前記分離工程、前記導出工程及び前記流量制御工程を含む分離操作を複数回繰り返し、
    その複数回の分離操作のうち後段の分離操作の前記溶解工程では、その1つ前の分離操作の前記導出工程で前記上側導出路に導出された前記軽質流体と前記下側導出路に導出された前記重質流体とのうち前記残りの流体に相当する方の流体を前記対象流体としてマイクロチャネルに流し、その流体に残留している前記特定成分を溶剤に溶かす、請求項1に記載の分離方法。
  3. 前記複数回の分離操作のうち特定回の分離操作の前記溶解工程では、その1つ後の分離操作の前記導出工程で前記上側導出路に導出される前記軽質流体と前記下側導出路に導出される前記重質流体とのうち前記特定成分が溶けた流体に相当する方の流体を、前記溶剤としてマイクロチャネルに流す、請求項2に記載の分離方法。
  4. 特定成分を含む対象流体から溶剤へ前記特定成分を溶かすことによって前記特定成分を前記対象流体から分離するための分離装置であって、
    前記対象流体と前記溶剤とをスラグ流又は二層流の状態で流し、その対象流体から溶剤へ前記特定成分を溶かすためのマイクロチャネルと、
    前記マイクロチャネルから排出される流体が導入されるように前記マイクロチャネルに接続され、前記マイクロチャネルから排出された流体を比重差によって前記特定成分が溶けた前記溶剤からなる流体と残りの流体とに分離するセトラーと、
    前記セトラーに接続され、前記セトラーから前記特定成分が溶けた流体と残りの流体とのうち比重が小さい方の流体である軽質流体を導出するための上側導出路と、
    前記セトラーに対する前記上側導出路の接続部よりも下側の位置で前記セトラーに接続され、前記セトラーから前記特定成分が溶けた流体と残りの流体とのうち比重が大きい方の流体である重質流体を導出するための下側導出路と、
    前記セトラー内における前記軽質流体と前記重質流体との間の界面の高さ位置が前記セトラーに対する前記上側導出路の接続部の高さ位置と前記セトラーに対する前記下側導出路の接続部の高さ位置との間で維持されるように、前記セトラーから前記上側導出路に導出される前記軽質流体の流量と前記セトラーから前記下側導出路に導出される前記重質流体の流量とのうち少なくとも一方の流量を制御する流量制御装置とを備えた、分離装置。
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