JP2018202357A - 分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原料液が収容される本体内の気体層および液体層の温度をそれぞれ測定する。【解決手段】分離装置１００は、一端から他端に延在する流路が内部に形成された本体２１０と、流路内に形成される液体層と気体層との界面以下の所定の位置に設けられた液体温度測定部Ｔｂ（第１液体温度測定部Ｔｂ１〜第４液体温度測定部Ｔｂ４）と、流路内における界面より上方に設けられた気体温度測定部Ｔａ（第１気体温度測定部Ｔａ１〜第４気体温度測定部Ｔａ４）と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、原料液を留出液と缶出液とに分離する分離装置に関する。

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、医薬品の製造等に分離装置が用いられている。分離装置は、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。このような分離装置として、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）。

上記特許文献１に記載されたような棚段塔においては、棚の構造上、棚間の距離（段の高さ）を、少なくとも数十ｃｍ（例えば、６０ｃｍ程度）確保する必要がある。したがって、分離性能を向上させるために、段数を増加させると、装置自体が鉛直方向に高くなってしまう。また、棚段塔は、塔内の構造が複雑で装置自体に多大なコストを要してしまうという課題もある。

そこで、一端側から他端側に向けて鉛直下方に傾斜させた流路の一端側を冷却するとともに他端側を加熱しておき、流路の中央部から原料液を導入して、原料液を分離する技術が開示されている（例えば、特許文献２）。かかる技術では、流路の上方に形成される気体層の高さを数ｍｍ程度まで低くし、気体層の下方に形成される液体層の表面で気液接触させる。これにより、気液平衡に到達する時間を大幅に短縮することができ、分離性能を維持したまま、棚段塔より装置を小型化することが可能となる。

特許第２７９９６５０号公報 特開２０１５−２２３５８０号公報

上記特許文献２の分離装置は、流路内の温度を測定する温度測定部を備えているが、温度測定部が気体層の温度を測定しているか、液体層の温度を測定しているかが不明であった。このため、気体層の温度および液体層の温度をいずれも正確に測定することができなかった。

本開示は、このような課題に鑑み、原料液が収容される本体内の気体層および液体層の温度をそれぞれ測定することが可能な分離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、本開示の一態様に係る分離装置は、一端から他端に延在する流路が内部に形成された本体と、前記流路内に形成される液体層と気体層との界面以下の所定の位置に設けられた液体温度測定部と、前記流路内における前記界面より上方に設けられた気体温度測定部と、
を備える。

また、前記本体の底面を加熱する液体温度調整部と、前記本体の上面を加熱する気体温度調整部と、を備えてもよい。

また、前記本体の底面を冷却する液体温度調整部と、前記本体の上面を冷却する気体温度調整部と、を備えてもよい。

また、前記気体温度測定部による測定値、および、前記液体温度測定部による測定値に基づいて、前記気体温度調整部および前記液体温度調整部のいずれか一方または両方を制御する制御部を備えてもよい。

また、前記本体は、前記一端から前記他端に向かって複数の領域に分割され、前記液体温度測定部によって測定された所定の前記領域の温度に基づいて、前記気体温度調整部を制御する制御部を備えてもよい。

また、前記流路の上部において、前記一端から前記他端に向かって、または、前記他端から前記一端に向かって気体が流れており、前記制御部は、前記所定の領域より、前記気体の流れ方向の上流側に位置する前記領域の温度に基づいて、前記気体温度調整部を制御してもよい。

また、前記本体は、前記一端から前記他端に向かって複数の領域に分割され、前記気体温度測定部によって測定された所定の前記領域の温度に基づいて、前記液体温度調整部を制御する制御部を備えてもよい。

また、前記流路の下部において、前記一端から前記他端に向かって、または、前記他端から前記一端に向かって液体が流れており、前記制御部は、前記所定の領域より、前記液体の流れ方向の上流側に位置する前記領域の温度に基づいて、前記液体温度調整部を制御してもよい。

本開示によれば、原料液が収容される本体内の気体層および液体層の温度をそれぞれ測定することが可能となる。

分離装置の概略的な構成を説明する図である。 分離ユニットの分解斜視図である。 図２において上面および側面を閉じたときのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 気体温度調整部、液体温度調整部によって温度が調整される領域の一例を説明する図である。 制御部の具体的な構成を説明する図である。 制御部の温度制御処理の流れを説明するフローチャートである。 制御部のうち、第２の気体温度調整部および第２の液体温度調整部の制御ブロックを抽出した図である。

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。

（分離装置１００）
図１は、分離装置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。分離装置１００は、原料液を留出液と缶出液とに分離する装置である。原料液には、低沸点成分と、低沸点成分より沸点が高い高沸点成分とが含まれる。留出液は、原料液より低沸点成分が高濃度の液体である。缶出液は、原料液より高沸点成分が高濃度の液体である。分離装置１００は、例えば、原料液の蒸留、原料液からのアンモニア除去、原料液からの二酸化炭素の分離等に利用することができる。

図１に示すように、分離装置１００は、原料液貯留タンク１１０と、原料液供給ポンプ１１２と、分離部１２０と、缶出液排出ポンプ１３０と、缶出液貯留タンク１３２と、留出液排出ポンプ１４０と、留出液貯留タンク１４２と、気体温度測定部Ｔａと、液体温度測定部Ｔｂと、制御部１７０とを含んで構成される。

原料液貯留タンク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、吸入側が、配管を介して原料液貯留タンク１１０に接続される。原料液供給ポンプ１１２は、吐出側が、配管を介して分離部１２０（原料液供給口２１２ｃ）に接続される。原料液供給ポンプ１１２は、原料液貯留タンク１１０に貯留された原料液を分離部１２０に供給する。

分離部１２０は、原料液を留出液と缶出液とに分離する。分離部１２０は、分離ユニット２００と、気体温度調整ユニット２３０と、液体温度調整ユニット２４０とを含んで構成される。分離ユニット２００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。

図２は、分離ユニット２００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、分離ユニット２００は、本体２１０と、リブ２２０Ａ、２２０Ｂ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、留出液排出口２１２ａが形成されている。底面２１２の他端側には、缶出液排出口２１２ｂが形成されている。また、底面２１２における留出液排出口２１２ａと缶出液排出口２１２ｂとの間には、原料液供給口２１２ｃが形成されている。詳しくは後述するが、原料液供給口２１２ｃを通じて本体２１０内に原料液が供給されると、本体２１０内の一端から他端に亘って液体層ｂが形成され、液体層ｂの鉛直上方に気体層ａが形成される。つまり、本体２１０の内部には一端から他端に延在する流路が形成される。

リブ２２０Ａは、底面２１２から立設し、原料液供給口２１２ｃ側から缶出液排出口２１２ｂ側に延在した部材である。リブ２２０Ｂは、底面２１２から立設し、留出液排出口２１２ａ側から原料液供給口２１２ｃ側に延在した部材である。リブ２２０Ａ、２２０Ｂは、それぞれ複数（ここでは、６）設けられる。本実施形態において、リブ２２０Ａ、２２０Ｂ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２２０Ａ、２２０Ｂの先端２２４は、上面２１４と離隔している。

分離ユニット２００の寸法関係について説明する。隣り合うリブ２２０Ａの基端２２２間の距離は、例えば、１ｍｍ程度である。隣り合うリブ２２０Ａの先端２２４間の距離は、例えば、２ｍｍ程度である。なお、隣り合うリブ２２０Ｂ間の距離は、隣り合うリブ２２０Ａ間の距離と実質的に等しい。リブ２２０Ａ、２２０Ｂ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２２０Ａ、２２０Ｂ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、留出液排出口２１２ａの中心から缶出液排出口２１２ｂの中心までの長さＬは、例えば、３００ｍｍである。

また、本実施形態において、分離ユニット２００（底面２１２、上面２１４）は、留出液排出口２１２ａから缶出液排出口２１２ｂ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、分離ユニット２００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、気体温度調整ユニット２３０は、４つの気体温度調整部ＨＣａ（図１中、第１の気体温度調整部ＨＣａ１、第２の気体温度調整部ＨＣａ２、第３の気体温度調整部ＨＣａ３、第４の気体温度調整部ＨＣａ４で示す）で構成される。液体温度調整ユニット２４０は、４つの液体温度調整部ＨＣｂ（図１中、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２、第３の液体温度調整部ＨＣｂ３、第４の液体温度調整部ＨＣｂ４で示す）で構成される。なお、ここでは、気体温度調整ユニット２３０が４つの気体温度調整部ＨＣａで構成され、液体温度調整ユニット２４０が４つの液体温度調整部ＨＣｂで構成される場合を例に挙げて説明するが、気体温度調整部ＨＣａの数、および、液体温度調整部ＨＣｂの数に限定はない。

第１の気体温度調整部ＨＣａ１、第２の気体温度調整部ＨＣａ２、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２は、例えば、電気ヒータ、オイルヒータ等で構成される。第１の気体温度調整部ＨＣａ１、第２の気体温度調整部ＨＣａ２、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２は、分離ユニット２００の本体２１０における原料液供給口２１２ｃと缶出液排出口２１２ｂとの間を、低沸点成分の沸点以上の所定の加熱温度に加熱する。

第１の気体温度調整部ＨＣａ１、第２の気体温度調整部ＨＣａ２は、本体２１０の上面２１４を加熱する。つまり、第１の気体温度調整部ＨＣａ１、第２の気体温度調整部ＨＣａ２は、本体２１０内の気体層ａを加熱する。第１の気体温度調整部ＨＣａ１は、第２の気体温度調整部ＨＣａ２よりも缶出液排出口２１２ｂ側に配される。また、後述する制御部１７０によって、第１の気体温度調整部ＨＣａ１による加熱温度は、第２の気体温度調整部ＨＣａ２による加熱温度よりも高温に制御される。

第１の液体温度調整部ＨＣｂ１、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２は、本体２１０の底面２１２を加熱する。つまり、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２は、本体２１０内の液体層ｂを加熱する。第１の液体温度調整部ＨＣｂ１は、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２よりも缶出液排出口２１２ｂ側に配される。また、制御部１７０によって、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１による加熱温度は、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２による加熱温度よりも高温に制御される。

第１の気体温度調整部ＨＣａ１と第１の液体温度調整部ＨＣｂ１とは対向して設けられる。第２の気体温度調整部ＨＣａ２と、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２とは対向して設けられる。

また、第３の気体温度調整部ＨＣａ３、第４の気体温度調整部ＨＣａ４、第３の液体温度調整部ＨＣｂ３、第４の液体温度調整部ＨＣｂ４は、例えば、水冷装置、油冷装置等で構成される。第３の気体温度調整部ＨＣａ３、第４の気体温度調整部ＨＣａ４、第３の液体温度調整部ＨＣｂ３、第４の液体温度調整部ＨＣｂ４は、分離ユニット２００の本体２１０における原料液供給口２１２ｃと留出液排出口２１２ａとの間を、低沸点成分の沸点未満の所定の冷却温度に冷却する。

第３の気体温度調整部ＨＣａ３、第４の気体温度調整部ＨＣａ４は、本体２１０の上面２１４を冷却する。つまり、第３の気体温度調整部ＨＣａ３、第４の気体温度調整部ＨＣａ４は、本体２１０内の気体層ａを冷却する。第４の気体温度調整部ＨＣａ４は、第３の気体温度調整部ＨＣａ３よりも留出液排出口２１２ａ側に配される。また、制御部１７０によって、第４の気体温度調整部ＨＣａ４の冷却温度は、第３の気体温度調整部ＨＣａ３の冷却温度よりも低温に制御される。

第３の液体温度調整部ＨＣｂ３、第４の液体温度調整部ＨＣｂ４は、本体２１０の底面２１２を冷却する。つまり、第３の液体温度調整部ＨＣｂ３、第４の液体温度調整部ＨＣｂ４は、本体２１０内の液体層ｂを冷却する。第４の液体温度調整部ＨＣｂ４は、第３の液体温度調整部ＨＣｂ３よりも留出液排出口２１２ａ側に配される。また、制御部１７０によって、第４の液体温度調整部ＨＣｂ４の冷却温度は、第３の液体温度調整部ＨＣｂ３の冷却温度よりも低温に制御される。

第３の気体温度調整部ＨＣａ３と、第３の液体温度調整部ＨＣｂ３とは対向して設けられる。第４の気体温度調整部ＨＣａ４と、第４の液体温度調整部ＨＣｂ４とは対向して設けられる。

缶出液排出ポンプ１３０は、吸入側が、配管を介して、缶出液排出口２１２ｂに接続される。缶出液排出ポンプ１３０は、吐出側が、配管を介して、缶出液貯留タンク１３２に接続される。缶出液排出ポンプ１３０は、缶出液排出口２１２ｂを通じて、分離ユニット２００から缶出液を抜き出す。缶出液貯留タンク１３２は、缶出液排出ポンプ１３０によって抜き出された缶出液を貯留する。

留出液排出ポンプ１４０は、吸入側が、配管を介して、留出液排出口２１２ａに接続される。留出液排出ポンプ１４０は、吐出側が、配管を介して、留出液貯留タンク１４２に接続される。留出液排出ポンプ１４０は、留出液排出口２１２ａを通じて、分離ユニット２００から留出液を抜き出す。留出液貯留タンク１４２は、留出液排出ポンプ１４０によって抜き出された留出液を貯留する。

気体温度測定部Ｔａは、本体２１０内の気体層ａの温度を測定する。本実施形態において、気体温度測定部Ｔａは、第１気体温度測定部Ｔａ１、第２気体温度測定部Ｔａ２、第３気体温度測定部Ｔａ３、第４気体温度測定部Ｔａ４で構成される。詳しくは後述するが、第１気体温度測定部Ｔａ１は、第１の気体温度調整部ＨＣａ１によって加熱される調整領域の温度を測定する。第２気体温度測定部Ｔａ２は、第２の気体温度調整部ＨＣａ２によって加熱される調整領域の温度を測定する。第３気体温度測定部Ｔａ３は、第３の気体温度調整部ＨＣａ３によって冷却される調整領域の温度を測定する。第４気体温度測定部Ｔａ４は、第４の気体温度調整部ＨＣａ４によって冷却される調整領域の温度を測定する。

液体温度測定部Ｔｂは、本体２１０内の液体層ｂの温度を測定する。本実施形態において、液体温度測定部Ｔｂは、第１液体温度測定部Ｔｂ１、第２液体温度測定部Ｔｂ２、第３液体温度測定部Ｔｂ３、第４液体温度測定部Ｔｂ４で構成される。詳しくは後述するが、第１液体温度測定部Ｔｂ１は、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１によって加熱される調整領域の温度を測定する。第２液体温度測定部Ｔｂ２は、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２によって加熱される調整領域の温度を測定する。第３液体温度測定部Ｔｂ３は、第３の液体温度調整部ＨＣｂ３によって冷却される調整領域の温度を測定する。第４液体温度測定部Ｔｂ４は、第４の液体温度調整部ＨＣｂ４によって冷却される調整領域の温度を測定する。

気体温度測定部Ｔａおよび液体温度測定部Ｔｂの具体的な設置位置について説明する。図３は、図２において上面２１４および側面２１６を閉じたときのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。なお、図３中、液体層ｂをクロスハッチングで示し、気体層ａを白い塗りつぶしで示す。

図３に示すように、分離ユニット２００の本体２１０の上面２１４には、穴２１４ａが複数（例えば４個）形成されている。穴２１４ａは、例えば、水平断面（図３中ＸＹ断面）が円形である。複数の穴２１４ａは、上面２１４における図３中Ｘ軸方向の中央に形成される。また、複数の穴２１４ａは、互いに所定間隔離隔するとともに図３中Ｙ軸方向に並列して上面２１４に形成される。具体的に説明すると、穴２１４ａは、上面２１４のうち、第１の気体温度調整部ＨＣａ１、第２の気体温度調整部ＨＣａ２、第３の気体温度調整部ＨＣａ３、第４の気体温度調整部ＨＣａ４に対応する箇所の中央に設けられる。穴２１４ａには、気体温度測定部Ｔａ（詳細には、第１気体温度測定部Ｔａ１〜第４気体温度測定部Ｔａ４を構成する熱電対の熱接点）が設けられる。

上面２１４に形成された穴２１４ａに気体温度測定部Ｔａを備える構成により、気体層ａの最上部の温度を測定することができる。これにより、液体層ｂと気体層ａとの界面がある程度変動しても、気体温度測定部Ｔａの液体層ｂへの接触を防止することができる。したがって、液体層ｂの温度を測定してしまう事態を回避し、気体層ａのみの温度を測定することが可能となる。

また、分離ユニット２００の本体２１０の底面２１２には、穴２１２ｄが複数（例えば４個）形成されている。穴２１２ｄは、例えば、水平断面（図３中ＸＹ断面）が円形である。複数の穴２１２ｄは、底面２１２における図３中Ｘ軸方向の中央に形成される。また、複数の穴２１２ｄは、互いに所定間隔離隔するとともに図３中Ｙ軸方向に並列して底面２１２に形成される。具体的に説明すると、穴２１２ｄは、底面２１２のうち、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２、第３の液体温度調整部ＨＣｂ３、第４の液体温度調整部ＨＣｂ４に対応する箇所の中央に設けられる。穴２１２ｄには、液体温度測定部Ｔｂ（詳細には、第１液体温度測定部Ｔｂ１〜第４液体温度測定部Ｔｂ４を構成する熱電対の熱接点）が設けられる。

底面２１２に形成された穴２１２ｄに液体温度測定部Ｔｂを備える構成により、液体層ｂの最下部の温度を測定することができる。これにより、液体層ｂと気体層ａとの界面がある程度変動しても、液体温度測定部Ｔｂの気体層ａへの接触を防止することができる。したがって、気体層ａの温度を測定してしまう事態を回避し、液体層ｂのみの温度を測定することが可能となる。

図１に戻って説明すると、制御部１７０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。制御部１７０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して分離装置１００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部１７０は、気体温度測定部Ｔａおよび液体温度測定部Ｔｂによる測定値に基づいて、第１の気体温度調整部ＨＣａ１〜第４の気体温度調整部ＨＣａ４、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１〜第４の液体温度調整部ＨＣｂ４を制御する。制御部１７０による具体的な制御処理（温度制御処理）については、後に詳述する。

続いて、分離装置１００による原料液の分離について説明する。まず、原料液供給ポンプ１１２によって、原料液貯留タンク１１０から分離ユニット２００の原料液供給口２１２ｃに原料液を供給する。上記したように分離ユニット２００は、留出液排出口２１２ａから缶出液排出口２１２ｂに向かって鉛直下方に傾斜している。このため、原料液は、分離ユニット２００内（リブ２２０Ａ間）を缶出液排出口２１２ｂに向かって流れる。

分離ユニット２００内における原料液供給口２１２ｃと缶出液排出口２１２ｂとの間は、第１の気体温度調整部ＨＣａ１、第２の気体温度調整部ＨＣａ２、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１、第２の液体温度調整部ＨＣｂ２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、分離ユニット２００内を原料液供給口２１２ｃから缶出液排出口２１２ｂに向かって流れる過程で加熱される。これにより、分離ユニット２００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。

なお、原料液供給口２１２ｃから缶出液排出口２１２ｂに向かうに従って、低沸点成分を多く含む蒸気（以下、単に「蒸気」と称する）の生成量が増加する。このため、分離ユニット２００内における原料液供給口２１２ｃ側と、缶出液排出口２１２ｂ側とで圧力差が生じる。つまり、缶出液排出口２１２ｂ側の方が、原料液供給口２１２ｃ側よりも圧力が高くなる。したがって、分離ユニット２００内において生成された蒸気は、液体の流れと逆方向、すなわち、原料液供給口２１２ｃ（留出液排出口２１２ａ）に向かって流れる。

分離ユニット２００内における原料液供給口２１２ｃと留出液排出口２１２ａとの間は、第３の気体温度調整部ＨＣａ３、第４の気体温度調整部ＨＣａ４、第３の液体温度調整部ＨＣｂ３、第４の液体温度調整部ＨＣｂ４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、分離ユニット２００内を原料液供給口２１２ｃから留出液排出口２１２ａに向かって流れる過程で冷却される。これにより、分離ユニット２００において、蒸気に含まれる低沸点成分および高沸点成分が凝縮して液体（凝縮液）となる。そして、凝縮液は、分離ユニット２００内（リブ２２０Ｂ間）を缶出液排出口２１２ｂに向かって自重で流れる。これにより、還流が為され、低沸点成分と高沸点成分の分離効率を向上することが可能となる。

そして、分離ユニット２００内における留出液排出口２１２ａの上方の領域において凝縮された液体は、留出液として留出液排出口２１２ａを通じて、留出液排出ポンプ１４０によって分離ユニット２００外に抜き出される。留出液排出ポンプ１４０によって抜き出された留出液は、留出液貯留タンク１４２に貯留される。

一方、分離ユニット２００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、缶出液として缶出液排出口２１２ｂを通じて、缶出液排出ポンプ１３０によって分離ユニット２００外に抜き出される。缶出液排出ポンプ１３０によって抜き出された缶出液は、缶出液貯留タンク１３２に貯留される。

（温度制御処理）
続いて、制御部１７０による温度制御処理について説明する。図４は、気体温度調整部ＨＣａ、液体温度調整部ＨＣｂによって温度が調整される領域Ｄｉの一例を説明する図である。図４中、本体２１０内における熱の伝達の流れを実線の矢印で示し、冷熱の伝達の流れを破線の矢印で示す。なお、熱の伝達は、気体の流れによる伝達と、気体層ａと液体層ｂとの熱交換とが含まれる。また、冷熱の伝達は、液体の流れによる伝達と、気体層ａと液体層ｂとの熱交換とが含まれる。

上記したように、分離装置１００では、１対の気体温度調整部ＨＣａと液体温度調整部ＨＣｂとが対向して、本体２１０の一端から他端に亘って複数設けられる。このため、本体２１０内には、所定の気体温度調整部ＨＣａと、これに対向して配される所定の液体温度調整部ＨＣｂとによって温度が調整される領域Ｄｉ（ｉは順番を示す）が複数形成される。領域Ｄｉは、本体２１０の一端から他端に亘って複数形成される。例えば、本体２１０の他端側（缶出液排出口２１２ｂ側）に形成される領域を領域Ｄ１とし、一端側（留出液排出口２１２ａ側）に向かって昇順にすると、図４に示す例では、右から順に領域Ｄ１、領域Ｄ２、領域Ｄ３、領域Ｄ４となる。

制御部１７０は、例えば、第１気体温度測定部Ｔａ１によって測定された、図４に示す領域Ｄ１における気体層ａ（調整領域Ｄ１ａ）の温度の測定値ＰＶ（Process Variable）に基づいて、第１の気体温度調整部ＨＣａ１を制御する。また、制御部１７０は、第１液体温度測定部Ｔｂ１によって測定された、図４に示す領域Ｄ１における液体層ｂ（調整領域Ｄ１ｂ）の温度の測定値ＰＶに基づいて、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１を制御する。

以下、分離装置１００において領域Ｄ１〜領域ＤＮ（Ｎ個の領域）が形成され、また、原料液供給口２１２ｃから缶出液排出口２１２ｂまでに領域がＭ個形成されるとして、制御部１７０による制御処理を説明する。つまり、原料液供給口２１２ｃから留出液排出口２１２ａまでのＮ−Ｍ個の領域が形成されるとする。

図５は、制御部１７０の具体的な構成を説明する図である。図５に示すように、制御部１７０は、調整領域Ｄ１ａ〜ＤＮａ、Ｄ１ｂ〜ＤＮｂごとの温度の測定値ＰＶａ（１）〜ＰＶａ（Ｎ）、測定値ＰＶｂ（１）〜ＰＶｂ（Ｎ）に基づいて、各気体温度調整部ＨＣａ１〜ＨＣａＮおよび各液体温度調整部ＨＣｂ１〜ＨＣｂＮの操作量ＭＶ（Manipulated Variable）をそれぞれ算出する。そして、制御部１７０は、算出した操作量ＭＶを、対応する気体温度調整部ＨＣａまたは液体温度調整部ＨＣｂに出力する。

具体的に説明すると、制御部１７０は、設定値参照部３１０、偏差算出部３１２、設定値補償部３１４、加除熱量算出部３１６とを含んで構成される。

図６は、制御部１７０の温度制御処理の流れを説明するフローチャートである。この温度制御処理は、所定時間間隔の割込処理として実行される。図７は、制御部１７０のうち、第２の気体温度調整部ＨＣａ２および第２の液体温度調整部ＨＣｂ２の制御ブロックを抽出した図である。なお、制御部１７０において、第１の気体温度調整部ＨＣａ１〜第Ｎの気体温度調整部ＨＣａＮ（第２の気体温度調整部ＨＣａ２を除く）、第１の液体温度調整部ＨＣｂ１から第Ｎの液体温度調整部ＨＣｂＮ（第２の液体温度調整部ＨＣｂ２を除く）の制御ブロックについても図７と同様に展開されている。

（ステップＳ１１０）
設定値参照部３１０は、不図示のメモリに記憶された温度設定値ＳＶ（Set Value）を参照する。温度設定値（目標値）ＳＶは、領域Ｄ１〜領域ＤＮごとに予め定められている。温度設定値ＳＶは、分離効率（缶出液中の高沸点成分の濃度、または、留出液中の低沸点成分の濃度）に基づいて、予め決定される値である。温度設定値ＳＶは、水平方向（本体２１０の一端から他端に向かう方向）に隣り合う領域Ｄ１〜領域ＤＮ間で異なる。具体的に説明すると、温度設定値ＳＶは、原料液供給口２１２ｃから缶出液排出口２１２ｂに向かうに従って大きい値に決定される。また、温度設定値ＳＶは、原料液供給口２１２ｃから留出液排出口２１２ａに向かうに従って小さい値に決定される。

（ステップＳ１２０）
偏差算出部３１２は、温度設定値ＳＶと、測定値ＰＶとの偏差を算出する。設定値補償部３１４は、偏差算出部３１２によって算出された偏差と、所定の調整ゲインとに基づいてフィードフォワード成分を算出する。

（ステップＳ１３０）
設定値補償部３１４は、算出したフィードフォワード成分に基づいて温度設定値ＳＶを補償する。以下、温度設定値ＳＶの補償処理について説明する。上記したように、気体層ａにおける気体の流れの方向から、気体層ａでは上流段がｉ−１番目となる。また、液体層ｂにおける液体の流れ方向から、液体層ｂでは上流段がｉ＋１番目となる。ｉ番目の領域Ｄｉにおいて、フィードフォワード成分の調整ゲインを以下のとおり定義する。液体層ｂから気体層ａへのフィードフォワード成分の調整ゲイン（制御パラメータ）をＫｂａ（ｉ）とする。気体層ａから液体層ｂへのフィードフォワード成分の調整ゲインをＫａｂ（ｉ）とする。上流側の気体層ａからのフィードフォワード成分の調整ゲインをＫａ（ｉ，ｉ−１）とする。上流側の液体層ｂからのフィードフォワード成分の調整ゲインをＫｂ（ｉ，ｉ＋１）とする。また、気体温度測定部Ｔａｉの測定値をＰＶａ（ｉ）とし、液体温度測定部Ｔｂｉの測定値をＰＶｂ（ｉ）とする。

（ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の領域Ｄｉの温度設定値ＳＶの補償処理）
（Ａ）加熱側（原料液供給口２１２ｃから缶出液排出口２１２ｂまでの流路）の補償処理
調整領域Ｄｉａでは、上流段の調整領域Ｄ（ｉ−１）ａから受ける温度変動、および、調整領域Ｄｉｂ（液体層ｂ）からの蒸発による気体層ａの温度変動を補償するフィードフォワード成分を温度設定値ＳＶに加算する。一方、加熱側において、調整領域Ｄｉｂでは、調整領域Ｄｉａ（気体層ａ）からの気体の凝縮は無視できる程度に小さい。このため、加熱側において、調整領域Ｄｉｂでは、上流段の調整領域Ｄ（ｉ＋１）ｂから受ける温度変動のみを補償するフィードフォワード成分を温度設定値ＳＶに加算する。

（Ａ−１）ｉ＝１の場合
調整領域Ｄ１ａの温度設定値ＳＶ（１）の補償値ＳＶａ（１）は、下記式（１）から算出することができる。
ＳＶａ（１）＝ＳＶ（１）＋Ｋｂａ（１）｛ＳＶ（１）−ＰＶｂ（１）｝ …式（１）
上記式（１）において、第２項は、液体層ｂから気体層ａへのフィードフォワード成分である。

調整領域Ｄ１ｂの温度設定値ＳＶ（１）の補償値ＳＶｂ（１）は、下記式（２）から算出することができる。
ＳＶｂ（１）＝ＳＶ（１）＋Ｋｂ（１，２）｛ＳＶ（２）−ＰＶｂ（２）｝ …式（２）
上記式（２）において第２項は、上流段（ｉ＝２）からのフィードフォワード成分である。

（Ａ−２）２≦ｉ≦Ｍの場合
調整領域Ｄｉａの温度設定値ＳＶ（ｉ）の補償値ＳＶａ（ｉ）は、下記式（３）から算出することができる。
ＳＶａ（ｉ）＝ＳＶ（ｉ）＋Ｋｂａ（ｉ）｛ＳＶ（ｉ）−ＰＶｂ（ｉ）｝＋Ｋａ（ｉ，ｉ−１）｛ＳＶ（ｉ−１）−ＰＶａ（ｉ−１）｝ …式（３）
上記式（３）において、第２項は、液体層ｂから気体層ａへのフィードフォワード成分である。第３項は、上流段（ｉ−１）からのフィードフォワード成分である。

調整領域Ｄｉｂの温度設定値ＳＶ（ｉ）の補償値ＳＶｂ（ｉ）は、下記式（４）から算出することができる。
ＳＶｂ（ｉ）＝ＳＶ（ｉ）＋Ｋｂ（ｉ，ｉ＋１）｛ＳＶ（ｉ＋１）−ＰＶｂ（ｉ＋１）｝ …式（４）
上記式（４）において第２項は、上流段（ｉ＋１）からのフィードフォワード成分である。

（Ｂ）冷却側（原料液供給口２１２ｃから留出液排出口２１２ａまでの流路）の補償処理
調整領域Ｄｉｂでは、上流段の調整領域Ｄ（ｉ＋１）ｂから受ける温度変動、および、調整領域Ｄｉａ（気体層ａ）からの凝縮による液体層ｂの温度変動を補償するフィードフォワード成分を温度設定値ＳＶに加算する。一方、冷却側において、調整領域Ｄｉａでは、調整領域Ｄｉｂ（液体層ｂ）からの液体の蒸発は無視できる程度に小さい。このため、冷却側において、調整領域Ｄｉａでは、上流段の調整領域Ｄ（ｉ−１）ａから受ける温度変動のみを補償するフィードフォワード成分を温度設定値ＳＶに加算する。

（Ｂ−１）Ｍ＋１≦ｉ≦Ｎ−１の場合
調整領域Ｄｉａの温度設定値ＳＶ（ｉ）の補償値ＳＶａ（ｉ）は、下記式（５）から算出することができる。
ＳＶａ（ｉ）＝ＳＶ（ｉ）＋Ｋａ（ｉ，ｉ−１）｛ＳＶ（ｉ−１）−ＰＶａ（ｉ−１）｝ …式（５）
上記式（５）において、第２項は、上流段（ｉ−１）からのフィードフォワード成分である。

調整領域Ｄｉｂの温度設定値ＳＶ（ｉ）の補償値ＳＶｂ（ｉ）は、下記式（６）から算出することができる。
ＳＶｂ（ｉ）＝ＳＶ（ｉ）＋Ｋａｂ（ｉ）｛ＳＶ（ｉ）−ＰＶａ（ｉ）｝＋Ｋｂ（ｉ，ｉ＋１）｛ＳＶ（ｉ＋１）−ＰＶｂ（ｉ＋１）｝ …式（６）
上記式（６）において第２項は、気体層ａから液体層ｂへのフィードフォワード成分である。第３項は、上流段（ｉ＋１）からのフィードフォワード成分である。

（Ｂ−２）ｉ＝Ｎの場合
調整領域ＤＮａの温度設定値ＳＶ（Ｎ）の補償値ＳＶａ（Ｎ）は、下記式（７）から算出することができる。
ＳＶａ（Ｎ）＝ＳＶ（Ｎ）＋Ｋａ（Ｎ，Ｎ−１）｛ＳＶ（Ｎ−１）−ＰＶａ（Ｎ−１）｝ …式（７）
上記式（７）において、第２項は、上流段（Ｎ−１）からのフィードフォワード成分である。

調整領域ＤＮｂの温度設定値ＳＶ（Ｎ）からの補償値ＳＶｂ（Ｎ）は、下記式（８）から算出することができる。
ＳＶｂ（Ｎ）＝ＳＶ（Ｎ）＋Ｋａｂ（Ｎ）｛ＳＮ（Ｎ）−ＰＶａ（Ｎ）｝ …式（８）
上記式（８）において、第２項は、気体層ａから液体層ｂへのフィードフォワード成分である。

（ステップＳ１４０）
そして、加除熱量算出部３１６は、上記式（１）〜式（８）に基づいて算出された補償値ＳＶ（ｉ）から、フィードバック成分（測定値ＰＶａ（ｉ）、測定値ＰＶｂ（ｉ））を減算し、所定のアルゴリズム（例えば、ＰＩＤ制御）を用いて、気体温度調整部ＨＣａ、および、液体温度調整部ＨＣｂの操作量ＭＶをそれぞれ算出する。加除熱量算出部３１６は、算出した操作量ＭＶを、対応する気体温度調整部ＨＣａ、液体温度調整部ＨＣｂにそれぞれ出力する。

以上説明したように、本実施形態の分離装置１００は、気体温度測定部Ｔａと、液体温度測定部Ｔｂとを備える構成により、本体２１０内の気体層ａの温度と、液体層ｂの温度とをそれぞれ独立して測定することができる。

鉛直方向に配される気体層ａと液体層ｂとの気液平衡状態を維持し、分離効率を向上させるために、上記領域Ｄｉの温度設定値ＳＶは１つに決定される。つまり、鉛直方向に配される気体層ａ（調整領域Ｄｉａ）と液体層ｂ（調整領域Ｄｉｂ）との温度設定値ＳＶは、同一に決定される。

しかし、気体層ａは、液体層ｂと比較して、温度変化の応答速度が速い（伝達関数が異なる）。このため、気体層ａの温度のみに基づいて、気体層ａおよび液体層ｂの温度を調整すると、液体層ｂの加熱や冷却が不十分となる。一方、液体層ｂの温度のみに基づいて、気体層ａおよび液体層ｂの温度を調整すると、気体層ａの加熱や冷却が過剰となる。

そこで、本実施形態では、気体温度調整部ＨＣａおよび液体温度調整部ＨＣｂを備える構成により、気体層ａの温度と、液体層ｂの温度とを独立して調整することができる。これにより、伝達関数の異なる気体層ａおよび液体層ｂを両方とも温度設定値ＳＶに維持することができ、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。特に、原料液の温度、流量、圧力、組成が変動した場合であっても、気体層ａおよび液体層ｂを両方とも温度設定値ＳＶに維持することが可能となる。

また、上記したように、制御部１７０は、上流段の領域の偏差を下流段の領域の温度設定値ＳＶに加算して補償値を算出する。これにより、上流段の温度変動が、下流段に与える影響をフィードフォワードとして補償することができる。また、制御部１７０は、加熱側において、液体層ｂの偏差を加算して補償値を算出し、冷却側において、気体層ａの偏差を加算して補償値を算出する。これにより、気体層ａの温度変動が液体層ｂに与える影響と、液体層ｂの温度変動が気体層ａに与える影響とをフィードフォワードとして補償することができる。したがって、本体２１０内において温度変動が生じたとしても、本体２１０全体に温度変動が伝搬してしまう事態を回避す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、制御部１７０は、隣接する領域からのフィードフォワード成分を加算して補償値を算出する構成を例に挙げて説明した。しかし、制御部１７０は、少なくとも流体（液体、気体）の流れ方向の上流側の領域のうち、いずれか１または複数の領域を複合してフィードフォワード成分を加算し、補償値を算出すればよい。

また、上記実施形態において、加除熱量算出部３１６が、ＰＩＤ制御を行う構成を例に挙げて説明した。しかし、加除熱量算出部３１６は、気体温度調整部ＨＣａや液体温度調整部ＨＣｂをオンオフ制御してもよいし、カスケード制御してもよい。

また、上記実施形態において、底面２１２に穴２１２ｄが設けられ、上面２１４に穴２１４ａが設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、穴２１２ｄ、２１４ａは必須の構成ではない。穴２１２ｄ、２１４ａを備えない場合、気体温度測定部Ｔａは、上面２１４の平滑面に設けられてもよい。また、液体温度測定部Ｔｂは、底面２１２の平滑面に設けられてもよい。いずれにせよ、液体温度測定部Ｔｂは、本体２１０（流路）内に形成される液体層ｂと気体層ａとの界面以下の所定の位置に設けられ、気体温度測定部Ｔａは、本体２１０内における液体層ｂと気体層ａとの界面より上方に設けられればよい。

また、上記実施形態では、設定値補償部３１４が、加熱側の調整領域Ｄｉｂにおいて、上流段の調整領域Ｄ（ｉ＋１）ｂから受ける温度変動のみを補償するフィードフォワード成分を加算する場合を例に挙げて説明した。しかし、設定値補償部３１４は、加熱側の調整領域Ｄｉｂにおいて、調整領域Ｄｉａと同様に、上流段の調整領域Ｄ（ｉ−１）ａから受ける温度変動、および、調整領域Ｄｉｂ（液体層ｂ）からの蒸発による気体層ａの温度変動を補償するフィードフォワード成分を加算してもよい。

また、上記実施形態では、設定値補償部３１４が、冷却側の調整領域Ｄｉａにおいて、上流段の調整領域Ｄ（ｉ−１）ａから受ける温度変動のみを補償するフィードフォワード成分を加算する場合を例に挙げて説明した。しかし、設定値補償部３１４は、冷却側の調整領域Ｄｉａにおいて、調整領域Ｄｉｂと同様に、上流段の調整領域Ｄ（ｉ＋１）ｂから受ける温度変動、および、調整領域Ｄｉａ（気体層ａ）からの凝縮による液体層ｂの温度変動を補償するフィードフォワード成分を加算してもよい。

また、上記実施形態では、制御部１７０が気体温度測定部Ｔａの測定値、および、液体温度測定部Ｔｂの測定値に基づいて、フィードフォワード成分を算出する構成を例に挙げて説明した。しかし、原料液の温度を測定する測定部を設けておき、原料液の温度の測定値の偏差を用いて温度設定値ＳＶを補償してもよい。

また、上記実施形態において、制御部１７０が、状態量として、温度の測定値に基づいて、フィードフォワード成分を算出する構成を例に挙げて説明した。しかし、制御部１７０は、温度に加えて、または、代えて、流量、圧力、原料液の組成、缶出液の組成、および、留出液の組成のうちいずれか１または複数の測定値に基づいて、フィードフォワード成分を算出してもよい。ただし、温度以外の状態量の偏差は、温度への伝達係数を乗じてから温度設定値ＳＶに加算するとよい。

また、上記実施形態において、気体層ａの流れと、液体層ｂの流れとが対向流である構成を例に挙げて説明した。しかし、気体層ａの流れと、液体層ｂの流れとが平行流であってもよい。いずれにせよ、制御部１７０は、流体（液体、気体）の流れ方向の上流側の領域のうち、いずれか１または複数の領域からのフィードフォワード成分を加算して補償値を算出すればよい。

また、温度設定値ＳＶ、気体温度測定部Ｔａおよび液体温度測定部Ｔｂによる測定値、設定値補償部３１４が算出した補償値を不図示の表示部に表示してもよい。

また、上記実施形態において、分離ユニット２００の底面２１２が留出液排出口２１２ａから缶出液排出口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、分離ユニット２００の寸法関係や傾斜角について説明した。しかし、分離ユニット２００は、原料液における低沸点成分と高沸点成分との割合、目的とする分離効率、原料液供給ポンプ１１２による原料液の供給流速（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、分離ユニット２００がリブ２２０Ａ、２２０Ｂを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、リブ２２０Ａ、２２０Ｂ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２２０Ａ、２２０Ｂ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、留出液排出口２１２ａ、缶出液排出口２１２ｂ、および、原料液供給口２１２ｃ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、留出液排出口２１２ａ、缶出液排出口２１２ｂ、および、原料液供給口２１２ｃの群から選択される１または複数は、側面２１６に形成されてもよい。

また、分離装置１００は、本体２１０が２つに分割されて構成されてもよい。具体的に説明すると、原料液供給口２１２ｃと、缶出液排出口２１２ｂと、上面に形成された通過口を備える第１の本体と、第１の本体の通過口から排出された蒸気（気体）が導入される通過口と、留出液排出口２１２ａとを備える第２の本体とを備え、第１の本体と、第２の本体とが別体で構成される分離装置であってもよい。

本開示は、原料液を留出液と缶出液とに分離する分離装置に利用することができる。

１００ 分離装置
１７０ 制御部
２１０ 本体
ＨＣａ 気体温度調整部
ＨＣｂ 液体温度調整部
Ｔａ 気体温度測定部
Ｔｂ 液体温度測定部

Claims (8)

1. 一端から他端に延在する流路が内部に形成された本体と、
   前記流路内に形成される液体層と気体層との界面以下の所定の位置に設けられた液体温度測定部と、
   前記流路内における前記界面より上方に設けられた気体温度測定部と、
   を備える分離装置。
2. 前記本体の底面を加熱する液体温度調整部と、
   前記本体の上面を加熱する気体温度調整部と、
   を備える請求項１に記載の分離装置。
3. 前記本体の底面を冷却する液体温度調整部と、
   前記本体の上面を冷却する気体温度調整部と、
   を備える請求項１に記載の分離装置。
4. 前記気体温度測定部による測定値、および、前記液体温度測定部による測定値に基づいて、前記気体温度調整部および前記液体温度調整部のいずれか一方または両方を制御する制御部を備える請求項２または３に記載の分離装置。
5. 前記本体は、前記一端から前記他端に向かって複数の領域に分割され、
   前記液体温度測定部によって測定された所定の前記領域の温度に基づいて、前記気体温度調整部を制御する制御部を備える請求項２または３に記載の分離装置。
6. 前記流路の上部において、前記一端から前記他端に向かって、または、前記他端から前記一端に向かって気体が流れており、
   前記制御部は、前記所定の領域より、前記気体の流れ方向の上流側に位置する前記領域の温度に基づいて、前記気体温度調整部を制御する請求項５に記載の分離装置。
7. 前記本体は、前記一端から前記他端に向かって複数の領域に分割され、
   前記気体温度測定部によって測定された所定の前記領域の温度に基づいて、前記液体温度調整部を制御する制御部を備える請求項２から６のいずれか１項に記載の分離装置。
8. 前記流路の下部において、前記一端から前記他端に向かって、または、前記他端から前記一端に向かって液体が流れており、
   前記制御部は、前記所定の領域より、前記液体の流れ方向の上流側に位置する前記領域の温度に基づいて、前記液体温度調整部を制御する請求項７に記載の分離装置。

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