JP2016203071A

JP2016203071A - 混合物の分離方法及び装置

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Publication number: JP2016203071A
Application number: JP2015085995A
Authority: JP
Inventors: 一秀前多; Kazuhide Maeta; 山崎　幸一; Koichi Yamazaki; 幸一山崎
Original assignee: Mitsubishi Chemical Engineering Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Engineering Corp
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-20
Also published as: JP6511933B2

Abstract

【課題】混合物の加熱コストが安価であり、また製品への不純物混入を回避できる混合物の分離方法及び装置を提供する。
【解決手段】混合物よりなる原料フィード液を蒸発缶５にて蒸発させ、蒸発缶５からの蒸気を膜分離器１１によって目的成分とその他成分とに分離する。目的成分の蒸気を熱交換器２１に通した後、熱交換器３に通して原料フィード液を加熱する。熱交換器２１で加熱された水を気液分離器３０によって気液分離し、水蒸気をコンプレッサ３２で加圧昇温させ、熱交換器７に通して蒸発缶５の缶底液を加熱する。気液分離器３０で分離された水を熱交換器２１を通した後、気液分離器３０に循環させる。
【選択図】図１

Description

本発明はエタノールと水、イソプロパノールと水などの混合物を分離処理するための方法及び装置に関するものであり、特に、混合物を蒸発缶で蒸発させた後、膜等の分離手段で分離する工程を有する混合物の分離方法及び装置に関する。

エタノールと水との混合物を蒸発させた後、膜等によってエタノールと水とに分離する方法及び装置が特許文献１に記載されている。

特許文献１では、エタノールおよび水の混合物をエバポレータに供給してエタノールおよび水の該混合物を蒸発させ、エタノールおよび水の気化混合物をコンプレッサにて加圧した後、膜ユニットに供給し、エタノールとエタノール・水混合物とに分離する。

特許文献２には、アルコール等と水との混合物を蒸留塔に供給し、留出物を第２圧縮機にて加圧・昇温した後、膜分離器によりアルコール等と、アルコール・水混合物とに分離し、この混合物を蒸留塔に戻すことが記載されている。蒸留塔にはリボイラが設けられている。特許文献２では、蒸留塔留出物の一部を分取して第１圧縮機にて加熱加圧し、このリボイラに加熱源流体として供給し、その後、蒸留塔塔頂に返送する。

特表２０１１−５１３０５６特開２０１２−１１０８３２

特許文献１，２のように、エタノール等を含んだ蒸気をコンプレッサ（圧縮機）で加圧すると、コンプレッサにおいてオイル、グリース等の不純物が蒸気に混入し、製品の純度が低下するおそれがある。また、アルコール等の蒸気を加圧するコンプレッサには十分な防火、防爆機構が必要であると共に、コンプレッサに十分な防食性が必要となりコスト高となる。

本発明は、混合物の加熱コストが安価であり、また製品への不純物混入を回避することができる混合物の分離方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の混合物の分離方法は、混合物よりなる原料フィード液を蒸発缶（５）にて蒸発させる蒸発工程と、蒸発缶（５）からの蒸気を分離手段（１１）によって目的成分とその他成分とに分離する工程と、該分離手段（１１）からの目的成分の蒸気を熱交換器（２１）に通して加熱源流体を加熱する工程と、熱交換器（２１）からの目的成分蒸気を熱交換器（３）に通して前記原料フィード液を加熱する工程と、該熱交換器（２１）で加熱された加熱源流体を気液分離器（３０）によって気液分離する工程と、該気液分離器（３０）で分離された蒸気をコンプレッサ（３２）で加圧昇温させる工程と、該コンプレッサ（３２）からの蒸気を蒸発缶用熱交換器（７）に通して蒸発缶缶底液又は原料フィード液を加熱する工程と、該蒸発缶用熱交換器（７）を通過した加熱源流体を該気液分離器（３０）に戻す工程と、該気液分離器（３０）で分離された加熱源流体の液を前記熱交換器（２１）を通した後該気液分離器（３０）に循環させる工程とを有するものである。

本発明の一態様では、前記蒸発缶の缶底液の一部を前記熱交換器（７）で加熱し、残部を別の熱交換器（６）で加熱する。

本発明の一態様では、前記蒸発缶（５）からの蒸気を熱交換器（９）で加熱した後、前記分離手段（１１）に供給する。

本発明の一態様では、前記分離手段（１１）は膜分離器である。

本発明の一態様では、前記混合物は、エタノール・水、イソプロパノール（イソプロピルアルコール）・水、ブタノール・水又は酢酸・水の混合液である。

本発明の一態様では、前記熱交換器（３）を通過した目的成分の蒸気を熱交換器（２５）によって冷却して凝縮させる。

本発明の分離装置は、混合物よりなる原料フィード液を蒸発させる蒸発缶（５）と、蒸発缶（５）からの蒸気を目的成分とその他成分とに分離する分離手段（１１）と、該分離手段（１１）からの目的成分の蒸気によって加熱源流体を加熱する熱交換器（２１）と、熱交換器（２１）からの目的成分蒸気によって前記原料フィード液を加熱する熱交換器（３）と、該熱交換器（２１）で加熱された加熱源流体を気液分離する気液分離器（３０）と、該気液分離器（３０）で分離された蒸気を加圧昇温させるコンプレッサ（３２）と、該コンプレッサ（３２）からの蒸気によって蒸発缶缶底液又は原料フィード液を加熱する蒸発缶用熱交換器（７）と、該蒸発缶用熱交換器（７）を通過した加熱源流体を該気液分離器（３０）に戻す配管（３４）と、該気液分離器（３０）で分離された加熱源流体の液を前記熱交換器（２１）を通した後該気液分離器（３０）に循環させる手段（３６，３７，３８，３９）とを有するものである。

本発明の一態様では、混合物の分離装置は、前記蒸発缶からの蒸気を加熱する熱交換器（９）を有する。

本発明の一態様では、混合物の分離装置は、前記熱交換器（３）を通過した目的成分の蒸気を冷却して凝縮させる熱交換器（２５）を有する。

本発明では、混合物を加熱後、蒸発缶で蒸発させ、その蒸気を膜分離器等の分離手段で分離処理して目的成分の蒸気と、水蒸気等の他成分とに分離する。そして、この目的成分蒸気の保有熱で蒸発缶用熱交換器の熱源流体を加熱して気化させ、生じた蒸気をコンプレッサで加圧昇温させて、蒸発缶用の熱交換器に循環供給するようにしている。また、本発明では、蒸発缶で生じた混合蒸気を必要に応じ過熱器で加熱した後、分離手段に導入するようにしており、特許文献１，２のようにエタノール・水の混合蒸気をコンプレッサで加熱昇温しない。そのため、不純物の混入を回避できる。

また、蒸発缶の缶底液を加熱する熱交換器の加熱源流体である水蒸気をコンプレッサで加圧昇温させるヒートポンプ方式としているため、蒸発缶の加熱コストを低くすることができる。

本発明の実施の形態を示す系統図である。別の実施の形態を示す系統図である。比較例を示す系統図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

図１は本発明の一実施の形態を示す系統図であり、混合物（この実施の形態ではエタノール・水混合物）よりなる原料フィード液がポンプ１及び配管２を介して熱交換器３に導入され、加熱された後、配管４を介して蒸発缶（エバポレータ）５に供給され、蒸発する。蒸発缶５の缶底液の一部が配管５ａ，５ｂ及びポンプ５ｐを介して熱交換器６に導入され、加熱後、配管５ｃを介して蒸発缶５に戻される。また、缶底液の一部は、配管５ａ，５ｄを介して熱交換器７に導入され、加熱後、配管５ｅを介して蒸発缶５に戻される。

蒸発缶５で発生したエタノール、水の混合蒸気は、配管８、熱交換器（過熱器）９、配管１０を介して膜分離器１１の１次側に導入される。なお、熱交換器（過熱器）９は省略されてもよい。

膜分離器１１は膜１１ｍによって１次側と２次側とに隔てられており、２次側は配管１２、熱交換器（凝縮器）１３を介して真空ポンプ１４によって吸引されている。膜１１ｍを透過した水蒸気は、熱交換器１３で凝縮され、凝縮水は、タンク１６に導入され、配管１７及びポンプ１８を介して系外に送られる。

膜分離器１１の膜１１ｍを透過しなかったエタノール蒸気は、配管２０から熱交換器２１に導入され、降温した後、配管２２を介して熱交換器３に導入され、原料フィード液を加熱した後、熱交換器（凝縮器）２５で凝縮され、配管２６を介して無水エタノールとして取り出される。

蒸発缶５の熱交換器７に対しては、気液分離器３０内の水蒸気が、配管３１、コンプレッサ３２及び配管３３を介して加熱源流体として導入され、熱交換後の加熱源流体は、配管３４、弁３４ａ及び配管３５を介して気液分離器３０に循環される。気液分離器３０内で蒸気と分離された水は、配管３６、ポンプ３７及び配管３８を介して前記熱交換器２１に導入され、膜分離器１１から取り出されたエタノールガスとの熱交換により加熱されて水蒸気となり、配管３９を介して気液分離器３０に循環される。なお、必要に応じ、配管３８から分岐する配管４１及び弁４０を介してドレンが排出される。また、補給水配管４３及び弁４２を介して配管３３に水が補給される。

このように、この実施の形態によると、混合物（エタノール・水混合物）を熱交換器３で加熱後、蒸発缶５で蒸発させ、生じた蒸気を膜分離器１１で膜分離処理してエタノール蒸気と水蒸気とに分離する。そして、このエタノール蒸気の保有熱で熱交換器７の加熱源流体である水を加熱して気化させ、生じた水蒸気をコンプレッサ３２で加圧昇温させて、蒸発缶５用の熱交換器７に循環供給するようにしている。

この実施の形態では、蒸発缶５で生じたエタノール蒸気と水蒸気との混合蒸気を必要に応じ熱交換器（過熱器）９で加熱した後、膜分離器１１に導入するようにしており、特許文献１，２のようにエタノール・水の混合蒸気をコンプレッサで加圧昇温しない。そのため、コンプレッサでの不純物混入がなく、得られる無水エタノールが高純度のものとなる。

また、蒸発缶５の缶底液を加熱する熱交換器７の加熱源流体である水蒸気をコンプレッサ３２で加圧昇温させるヒートポンプ方式としているため、蒸発缶５の加熱コストを低くすることができる。また、コンプレッサ３２は水蒸気を加圧するため、防火、防爆機構が不要ないし簡易化される。

上記実施の形態では、熱交換器７を缶底液を加熱するように蒸発缶５に接続しているが、本発明では、図２に示すように、コンプレッサ３２による加熱水蒸気を熱源流体とする熱交換器７を配管４に設置し、原料フィード液を該熱交換器７で加熱して蒸発缶５に導入するようにしてもよい。図２では、配管５ｄ，５ｅは省略されている。図２のその他の構成は図１と同様であり、同一符号は同一部分を示している。

この図２の分離装置によっても、図１の分離装置と同様の効果が得られる。

なお、図３は比較例に係る分離装置の系統図である。この分離装置では、蒸発缶５からのエタノール・水混合蒸気を熱交換器９で加熱した後、コンプレッサ３２Ａで加圧・昇温させて膜分離器１１に導入し、非透過ガス（エタノール蒸気）を配管２０Ａを介して蒸発缶５用熱交換器７に加熱源流体として導入している。そして、この熱交換器７を通過したエタノール蒸気を配管５０を介して熱交換器３に導入し、その後配管２４を介して熱交換器（冷却器）２５に導いている。

この図３の装置では、気液分離器３０、コンプレッサ３２、蒸気循環用配管３１，３３，３４、３５、水循環用配管３６，３８，３９、その途中の熱交換器２１、ドレン用配管４１、補給水用配管４３等は設けられていない。また、配管２０の代りに前記配管２０Ａが設けられている。その他の構成は図１と同様であり、同一符号は同一部分を示している。

この図３の装置では、蒸発缶５からのエタノール・水混合蒸気をコンプレッサ３２Ａで加圧・昇温して膜分離器１１に導入するようにしており、コンプレッサ３２Ａにおいてエタノール・水混合蒸気にグリース、オイル等の成分が混入し、配管２６から得られる無水エタノールの不純物濃度が高くなり易い。

本発明では、膜分離器１１の分離膜としてゼオライト膜等の無機膜、ポリイミド膜等の有機膜、炭素膜などを用いることができる。処理される混合物としては、エタノール・水、イソプロパノール・水、ブタノール・水、酢酸・水、テトラヒドロフラン・水、アセトン・水、酢酸エチル・水、ＮＭＰ・水、メタノール・水、トルエン・水、ＤＭＡＣ・水、ＤＭＦ・水などが例示される。エタノール等のアルコール・水の混合液中のアルコール濃度は８８〜９９ｗｔ％程度が好適である。

上記実施の形態では、膜分離器１１を用いているが吸湿材充填塔を用いてもよい。吸湿材としてはゼオライトやシリカゲル等を用いることができる。吸湿材充填塔を用いる場合、複数の吸湿材充填塔を並列に設置し、一部の吸湿材充填塔で混合蒸気中の水蒸気除去運転を行い、他の吸湿材充填塔では吸収した水分の放出処理を行う運転方式を採用してもよい。

図１に示す装置に、水分５．５ｗｔ％の含水エタノールを７ｋＬ／ｈｒにて供給し、脱水処理して無水エタノールを製造した。蒸発缶５の容積は０．６ｍ^３、コンプレッサ３２の定格容量は６０ｋＷである。膜分離器１１では、分離膜１１ｍとしてゼオライト膜（膜面積２５０ｍ^２）を用いた。各配管内を流れる流体の温度、圧力及び水分濃度を表１に示す。

５蒸発缶
１１膜分離器
１４真空ポンプ
３０気液分離器
３２，３２Ａコンプレッサ

Claims

混合物よりなる原料フィード液を蒸発缶（５）にて蒸発させる蒸発工程と、
蒸発缶（５）からの蒸気を分離手段（１１）によって目的成分とその他成分とに分離する工程と、
該分離手段（１１）からの目的成分の蒸気を熱交換器（２１）に通して加熱源流体を加熱する工程と、
熱交換器（２１）からの目的成分蒸気を熱交換器（３）に通して前記原料フィード液を加熱する工程と、
該熱交換器（２１）で加熱された加熱源流体を気液分離器（３０）によって気液分離する工程と、
該気液分離器（３０）で分離された蒸気をコンプレッサ（３２）で加圧昇温させる工程と、
該コンプレッサ（３２）からの蒸気を蒸発缶用熱交換器（７）に通して蒸発缶缶底液又は原料フィード液を加熱する工程と、
該蒸発缶用熱交換器（７）を通過した加熱源流体を該気液分離器（３０）に戻す工程と、
該気液分離器（３０）で分離された加熱源流体の液を前記熱交換器（２１）を通した後該気液分離器（３０）に循環させる工程と
を有する混合物の分離方法。
請求項１において、前記蒸発缶の缶底液の一部を前記熱交換器（７）で加熱し、残部を別の熱交換器（６）で加熱することを特徴とする混合物の分離方法。
請求項１又は２において、前記蒸発缶（５）からの蒸気を熱交換器（９）で加熱した後、前記分離手段（１１）に供給することを特徴とする混合物の分離方法。
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記分離手段（１１）は膜式分離器であることを特徴とする混合物の分離方法。
請求項１ないし４のいずれか１項において、前記混合物は、エタノール・水、イソプロパノール・水、ブタノール・水又は酢酸・水の混合液であることを特徴とする混合物の分離方法。
請求項１ないし５のいずれか１項において、前記熱交換器（３）を透過した目的成分の蒸気を熱交換器（２５）によって冷却して凝縮させる工程を有することを特徴とする混合物の分離方法。
混合物よりなる原料フィード液を蒸発させる蒸発缶（５）と、
蒸発缶（５）からの蒸気を目的成分とその他成分とに分離する分離手段（１１）と、
該分離手段（１１）からの目的成分の蒸気によって加熱源流体を加熱する熱交換器（２１）と、
熱交換器（２１）からの目的成分蒸気によって前記原料フィード液を加熱する熱交換器（３）と、
該熱交換器（２１）で加熱された加熱源流体を気液分離する気液分離器（３０）と、
該気液分離器（３０）で分離された蒸気を加圧昇温させるコンプレッサ（３２）と、
該コンプレッサ（３２）からの蒸気によって蒸発缶缶底液又は原料フィード液を加熱する蒸発缶用熱交換器（７）と、
該蒸発缶用熱交換器（７）を通過した加熱源流体を該気液分離器（３０）に戻す配管（３４）と、
該気液分離器（３０）で分離された加熱源流体の液を前記熱交換器（２１）を通した後該気液分離器（３０）に循環させる手段（３６，３７，３８，３９）と
を有する混合物の分離装置。
請求項７において、前記蒸発缶からの蒸気を加熱する熱交換器（９）を有することを特徴とする混合物の分離装置。
請求項７又は８において、前記熱交換器（３）を通過した目的成分の蒸気を冷却して凝縮させる熱交換器（２５）を有することを特徴とする混合物の分離装置。