JP2018167210A - 蒸留装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低沸点成分の変性を抑制する。【解決手段】蒸留装置１００は、低沸点成分および低沸点成分より沸点が高い高沸点成分を含む原料液が供給され、原料液を加熱するリボイラ部１２０と、リボイラ部１２０に吸入側が接続され、吐出側がコンデンサ部１５０に接続され、リボイラ部１２０内の蒸気を抜き出してリボイラ部１２０内を減圧する減圧ポンプ１３０と、減圧ポンプ１３０によって抜き出された蒸気が導入され、蒸気を冷却するコンデンサ部１５０とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、低沸点成分と高沸点成分とを含んで構成される原料液を、留出液と缶出液とに分離する蒸留装置に関する。

アルコール飲料、食用油、石油化学製品等の蒸留、アンモニアの除去、二酸化炭素の回収、および、医薬品の製造等に蒸留装置が用いられている。蒸留装置は、低沸点成分と高沸点成分とを含んで構成される原料液を、留出液と缶出液とに分離する装置である。

このような蒸留装置として、複数の棚が内部に設けられた棚段塔と、リボイラと、コンデンサとを備えた装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の蒸留装置では、棚段塔の中央に原料液が供給される。リボイラは、棚段塔の底部から排出された液を加熱して蒸気を生成する。リボイラによって生成された蒸気は、棚段塔の底部に還流される。コンデンサは、棚段塔の頂部から排出された蒸気を冷却して留出液を生成する。コンデンサによって生成された留出液の一部は、棚段塔の頂部に還流される。

特開２００３−０８９６７４号公報

上記特許文献１の蒸留装置では、棚段塔、リボイラ、および、コンデンサが大気圧以上となっている。このため、低沸点成分の沸点が相対的に高い場合、低沸点成分を蒸発させるためにリボイラで液を加熱すると、低沸点成分が変性してしまうおそれがある。

本開示は、このような課題に鑑み、低沸点成分の変性を抑制することが可能な蒸留装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の蒸留装置は、低沸点成分および前記低沸点成分より沸点が高い高沸点成分を含む原料液が供給され、前記原料液を加熱するリボイラ部と、前記リボイラ部に吸入側が接続された減圧ポンプと、前記減圧ポンプの吐出側が接続され、前記リボイラ部内において生じた蒸気を冷却するコンデンサ部と、を備える。

また、前記コンデンサ部に吸入側が接続され、前記リボイラ部に吐出側が接続され、前記コンデンサ部内において生じた凝縮液を前記リボイラ部内に導入する還流ポンプを備えてもよい。

また、前記リボイラ部および前記コンデンサ部のいずれか一方または両方は、互いに離隔した第１通過口および第２通過口と、前記第１通過口側から前記第２通過口側に延在した１または複数のリブと、を有する本体を含んで構成されてもよい。

本開示によれば、低沸点成分の変性を抑制することが可能となる。

蒸留装置の概略的な構成を説明する図である。 第１分離ユニットの分解斜視図である。 第２分離ユニットの分解斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

（蒸留装置１００）
図１は、蒸留装置１００の概略的な構成を説明する図である。なお、図１中、液体の流れを実線の矢印で示し、気体の流れを破線の矢印で示す。蒸留装置１００は、低沸点成分（例えば、メタノール）と、低沸点成分より沸点が高い高沸点成分（例えば、水）とを含んで構成される原料液を、原料液より低沸点成分が高濃度の留出液と、原料液より高沸点成分が高濃度の缶出液とに分離する装置である。

図１に示すように、蒸留装置１００は、原料液貯留容器１１０と、原料液供給ポンプ１１２と、リボイラ部１２０と、減圧ポンプ１３０と、缶出液排出ポンプ１４０と、缶出液貯留容器１４２と、コンデンサ部１５０と、還流ポンプ１６０と、留出液排出ポンプ１７０と、留出液貯留容器１７２とを含んで構成される。

原料液貯留容器１１０は、原料液を貯留する容器である。原料液供給ポンプ１１２は、原料液貯留容器１１０に貯留された原料液をリボイラ部１２０（原料液供給口）に供給する。

リボイラ部１２０は、第１分離ユニット１２２と、加熱部１２４とを含んで構成される。第１分離ユニット１２２は、ステンレス鋼等の金属材料で構成され、内部に原料液を収容する。加熱部１２４は、例えば、電気ヒータ、オイルヒータ等で構成され、第１分離ユニット１２２を加熱する。加熱部１２４は、第１分離ユニット１２２内を低沸点成分の沸点以上に加熱する。

図２は、第１分離ユニット１２２の分解斜視図である。本実施形態の図２では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。図２に示すように、第１分離ユニット１２２は、本体２１０と、リブ２２０とを含んで構成される。

本体２１０は、金属材料で形成された角柱形状の中空部材である。本体２１０は、底面２１２と、上面２１４と、側面２１６とを含んで構成される。底面２１２の一端側には、原料液供給口として機能する第１通過口２１２ａが形成されている。底面２１２の他端側には、缶出液排出口として機能する第２通過口２１２ｂが形成されている。つまり、第１通過口２１２ａと、第２通過口２１２ｂとは互いに離隔して底面２１２に形成される。

また、上面２１４の一端側には、蒸気排出口２１４ａが形成されている。本実施形態において、蒸気排出口２１４ａは、第１通過口２１２ａ（原料液供給口）に対向して設けられる。

リブ２２０は、底面２１２から立設し、第１通過口２１２ａ側から第２通過口２１２ｂ側に延在した部材である。リブ２２０は、複数（ここでは、６）設けられる。本実施形態において、リブ２２０は、基端２２２の幅（図２中Ｘ軸方向の幅）が、先端２２４の幅より大きい。また、リブ２２０の先端２２４は、上面２１４と離隔している。

第１分離ユニット１２２の寸法関係について説明する。隣り合うリブ２２０の基端２２２間の距離は、例えば、１ｍｍ程度である。隣り合うリブ２２０の先端２２４間の距離は、例えば、２ｍｍ程度である。リブ２２０の高さ（基端２２２から先端２２４までの高さ、図２中Ｚ軸方向の高さ）は、例えば、３ｍｍ程度である。また、リブ２２０の先端２２４と上面２１４との距離は、例えば、１００μｍ〜１０ｍｍ程度（ここでは、１ｍｍ）である。さらに、第１通過口２１２ａの中心から第２通過口２１２ｂの中心までの長さＬは、例えば、１５０ｍｍである。

また、本実施形態において、第１分離ユニット１２２（底面２１２、上面２１４）は、第１通過口２１２ａ（原料液供給口）から第２通過口２１２ｂ（缶出液排出口）に向かって鉛直下方（図２中Ｚ軸方向）に傾斜している。なお、第１分離ユニット１２２の傾斜角は、例えば、２．５度程度である。

図１に戻って説明すると、減圧ポンプ１３０は、吸入側が、配管を介して蒸気排出口２１４ａに接続されている。減圧ポンプ１３０は、吐出側が、配管を介してコンデンサ部１５０（蒸気導入口３１４ａ）に接続されている。減圧ポンプ１３０は、第１分離ユニット１２２内の蒸気を第１分離ユニット１２２内から抜き出して、コンデンサ部１５０に導入する。これにより、第１分離ユニット１２２内が減圧され、大気圧未満（例えば、０．０３ＭＰａ程度）となる。また、コンデンサ部１５０（第２分離ユニット１５２）内は、大気圧以上となる。

缶出液排出ポンプ１４０は、吸入側が、配管を介して第１分離ユニット１２２の第２通過口２１２ｂ（缶出液排出口）に接続されている。缶出液排出ポンプ１４０は、吐出側が、配管を介して缶出液貯留容器１４２に接続されている。缶出液排出ポンプ１４０は、第１分離ユニット１２２から缶出液を抜き出す。缶出液貯留容器１４２は、缶出液排出ポンプ１４０によって抜き出された缶出液を貯留する。

コンデンサ部１５０は、第２分離ユニット１５２と、冷却部１５４とを含んで構成される。第２分離ユニット１５２は、ステンレス鋼等の金属材料で構成され、減圧ポンプ１３０によって内部に蒸気が導入される。冷却部１５４は、例えば、空冷装置、水冷装置、油冷装置等で構成され、第２分離ユニット１５２を冷却する。冷却部１５４は、第２分離ユニット１５２内を低沸点成分の沸点未満に冷却する。

図３は、第２分離ユニット１５２の分解斜視図である。本実施形態の図３では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。図３に示すように、第２分離ユニット１５２は、本体３１０と、リブ２２０とを含んで構成される。なお、上記第１分離ユニット１２２と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

本体３１０は、金属材料で形成された角柱形状の中空部材である。本体３１０は、底面２１２と、上面３１４と、側面２１６とを含んで構成される。なお、本体３１０の底面２１２の一端側に形成された第１通過口２１２ａは、留出液排出口として機能する。本体３１０の底面２１２の他端側に形成された第２通過口２１２ｂは、還流液排出口として機能する。

また、上面３１４の他端側には、蒸気導入口３１４ａが形成されている。本実施形態において、蒸気導入口３１４ａは、第２通過口２１２ｂ（還流液排出口）に対向して設けられる。

本実施形態において、第２分離ユニット１５２（底面２１２、上面３１４）は、第１分離ユニット１２２と同様に、第１通過口２１２ａ（留出液排出口）から第２通過口２１２ｂ（還流液排出口）に向かって鉛直下方（図３中Ｚ軸方向）に傾斜している（傾斜角は、例えば、２．５度程度）。

図１に戻って説明すると、還流ポンプ１６０は、吸入側が、配管を介して第２分離ユニット１５２の第２通過口２１２ｂ（還流液排出口）に接続されている。還流ポンプ１６０は、吐出側が、配管を介して第１分離ユニット１２２の第１通過口２１２ａ（原料液供給口）に接続されている。還流ポンプ１６０は、第２分離ユニット１５２内の凝縮液を第２分離ユニット１５２内から抜き出して、リボイラ部１２０内に導入する。

留出液排出ポンプ１７０は、吸入側が、配管を介して第２分離ユニット１５２の第１通過口２１２ａ（留出液排出口）に接続されている。留出液排出ポンプ１７０は、吐出側が、配管を介して留出液貯留容器１７２に接続されている。留出液排出ポンプ１７０は、第２分離ユニット１５２から留出液を抜き出す。留出液貯留容器１７２は、留出液排出ポンプ１７０によって抜き出された留出液を貯留する。

続いて、蒸留装置１００による原料液の蒸留について説明する。まず、原料液供給ポンプ１１２によって、第１分離ユニット１２２の第１通過口２１２ａ（原料液供給口）に原料液が供給される。上記したように第１分離ユニット１２２は、第１通過口２１２ａから第２通過口２１２ｂ（缶出液排出口）に向かって鉛直下方に傾斜している。このため、原料液は、第１分離ユニット１２２内（リブ２２０間）を第２通過口２１２ｂに向かって流れる。

第１分離ユニット１２２は、加熱部１２４によって、低沸点成分の沸点以上に加熱されている。このため、原料液は、第１分離ユニット１２２内を流れる過程で加熱される。これにより、第１分離ユニット１２２において、原料液から、低沸点成分を多く含む蒸気（気体）が生成される。

そして、低沸点成分を多く含む蒸気（以下、単に「蒸気」と称する）は、蒸気排出口２１４ａを通じて、減圧ポンプ１３０によって第１分離ユニット１２２外に抜き出される。一方、第１分離ユニット１２２において蒸気が取り除かれた液体（蒸発しなかった液体）は、缶出液として第２通過口２１２ｂを通じて、缶出液排出ポンプ１４０によって第１分離ユニット１２２外に抜き出される。

減圧ポンプ１３０によって第１分離ユニット１２２から抜き出された蒸気は、第２分離ユニット１５２の蒸気導入口３１４ａに導入される。第２分離ユニット１５２は、冷却部１５４によって、低沸点成分の沸点未満に冷却されている。このため、蒸気は、第２分離ユニット１５２内を流れる過程で冷却される。これにより、第２分離ユニット１５２において、蒸気中の低沸点成分が凝縮して液体（凝縮液）が生成される。

そして、凝縮液の一部は、留出液として第１通過口２１２ａ（留出液排出口）を通じて、留出液排出ポンプ１７０によって第２分離ユニット１５２外に抜き出される。

また、上記したように第２分離ユニット１５２は、第１通過口２１２ａ（留出液排出口）から第２通過口２１２ｂ（還流液排出口）に向かって鉛直下方に傾斜している。このため、留出液として抜き出されなかった凝縮液は、第２分離ユニット１５２内（リブ２２０間）を第２通過口２１２ｂに向かって流れる。

そして、留出液として抜き出されなかった凝縮液は、還流ポンプ１６０によって、第２分離ユニット１５２内（第２通過口２１２ｂ）から抜き出され、第１分離ユニット１２２内（第１通過口２１２ａ）に導入される。

以上説明したように、本実施形態の蒸留装置１００では、減圧ポンプ１３０がリボイラ部１２０（第１分離ユニット１２２）内を減圧する。これにより、原料液に含まれる低沸点成分の沸点を低下させることができる。このため、リボイラ部１２０内が大気圧以上である場合と比較して、加熱部１２４による加熱温度を低下させることが可能となる。したがって、低沸点成分の変性を抑制することができる。また、リボイラ部１２０内が大気圧以上である場合と比較して、加熱部１２４の消費エネルギーを削減することが可能となる。

なお、第１分離ユニット１２２と第２分離ユニット１５２とを一体に形成し、第２分離ユニット１５２内も減圧することが考えられる。しかし、この場合、低沸点成分の凝縮温度が低下するため、冷却部１５４による冷却温度が低下する。そうすると、冷却部１５４の消費エネルギーが増加してしまう。本実施形態の蒸留装置１００では、リボイラ部１２０とコンデンサ部１５０とを別体とし、リボイラ部１２０内のみを減圧する。これにより、冷却部１５４の消費エネルギーを増加させることなく、原料液を蒸留することが可能となる。

また、本実施形態の蒸留装置１００では、還流ポンプ１６０がコンデンサ部１５０内の凝縮液をリボイラ部１２０内に導入する。これにより、原料液の蒸留効率（低沸点成分と高沸点成分の分離効率）を向上させることができる。

また、本実施形態の蒸留装置１００では、原料液や凝縮液がリブ２２０間を流れるように第１分離ユニット１２２、第２分離ユニット１５２が構成されている。液体が流れる流路幅が大きいと、液体の表面張力によって、流路の端部側を流れる液体の流速と、流路の中央側を流れる液体の流速との差が大きくなってしまう。そこで、リブ２２０間の幅を２ｍｍ以下とすることで、流路の端部側を流れる液体の流速と、流路の中央側を流れる液体の流速との差を小さくすることができ、流路内における流速の均一化を図ることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、還流ポンプ１６０が、第２分離ユニット１５２から抜き出した凝縮液をリボイラ部１２０に還流する構成を例に挙げて説明した。しかし、還流ポンプ１６０は、凝縮液をリボイラ部１２０に還流せずともよい。

また、上記実施形態において、第１分離ユニット１２２、第２分離ユニット１５２の底面２１２が第１通過口２１２ａから第２通過口２１２ｂに向かって鉛直下方に傾斜している構成について説明した。しかし、底面２１２は、水平方向に延在していてもよい。

また、上記実施形態において、第１分離ユニット１２２、第２分離ユニット１５２の寸法関係や傾斜角について説明した。しかし、第１分離ユニット１２２、第２分離ユニット１５２は、原料液における低沸点成分と高沸点成分との割合、目的とする蒸留効率、原料液供給ポンプ１１２による原料液の導入流速（処理速度）に基づいて、適宜設定されればよい。

また、上記実施形態において、第１分離ユニット１２２、第２分離ユニット１５２がリブ２２０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、リブ２２０に代えて多孔質体を本体２１０上に載置してもよい。多孔質体を載置することで、リブ２２０を設ける構成と同様に、流路の端部側を流れる液体の流速と、流路の中央側を流れる液体の流速との差を小さくすることができる。

また、上記実施形態において、第１通過口２１２ａおよび第２通過口２１２ｂが底面２１２に形成される構成を例に挙げて説明した。しかし、第１通過口２１２ａおよび第２通過口２１２ｂのいずれか一方または両方は、側面２１６に形成されてもよい。

また、上記実施形態において、原料液がメタノールと水との混合液である場合を例に挙げて説明した。しかし、原料液は、沸点が異なる物質が２以上含まれていればよい。例えば、蒸留装置１００は、原料液として食用油、生理活性物質等を蒸留することができる。

本発明は、低沸点成分と高沸点成分とを含んで構成される原料液を、留出液と缶出液とに分離する蒸留装置に利用することができる。

１００ 蒸留装置
１２０ リボイラ部
１３０ 減圧ポンプ
１５０ コンデンサ部
１６０ 還流ポンプ
２１０ 本体
２１２ａ 第１通過口
２１２ｂ 第２通過口
２２０ リブ
３１０ 本体

Claims (3)

1. 低沸点成分および前記低沸点成分より沸点が高い高沸点成分を含む原料液が供給され、前記原料液を加熱するリボイラ部と、
   前記リボイラ部に吸入側が接続された減圧ポンプと、
   前記減圧ポンプの吐出側が接続され、前記リボイラ部内において生じた蒸気を冷却するコンデンサ部と、
   を備える蒸留装置。
2. 前記コンデンサ部に吸入側が接続され、前記リボイラ部に吐出側が接続され、前記コンデンサ部内において生じた凝縮液を前記リボイラ部内に導入する還流ポンプを備える請求項１に記載の蒸留装置。
3. 前記リボイラ部および前記コンデンサ部のいずれか一方または両方は、
   互いに離隔した第１通過口および第２通過口と、前記第１通過口側から前記第２通過口側に延在した１または複数のリブと、を有する本体を含んで構成される請求項１または２に記載の蒸留装置。

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