JP6140374B2 - ３成分または多成分の混合物を蒸留により分離するための方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、３つ以上の成分の所与の混合物を、蒸留によりその構成部分へ分離するための方法、および２つ以上の蒸留塔の適切な使用および連結によりその方法を実施するための装置に関する。
蒸留法は、一般的に、異なる相対揮発性および／または互いに可溶性の物質の混合物を熱的に分離するために化学工学において使用されている。蒸留は、熱分離法の範囲の一部を形成する。
多成分混合物の連続蒸留による分留は様々なプロセス変形を使用して実施できる。
最も単純な場合では、１つの低沸点留分および１つの高沸点留分からなる供給混合物はそれら２つの構成部分に分留される。分離されるべき混合物は、蒸留塔の頂部と底部の間に導入される。供給入口は蒸留塔をストリッピング部および精留部に分割する。
高沸点留分は塔の底部で取り出される。この留分の一部は蒸発され、塔を加熱するために、例えば自然循環によって、塔に戻される。低沸点留分は、塔の頂部で蒸気として出て、凝縮器で凝縮される。この凝縮物の一部は塔に戻ってリサイクルされ、上昇する蒸気に対して向流で還流として下方に流れる。
しかし、２を超える留分への多成分混合物からなる供給混合物の分離では、２つ以上の従来の蒸留塔を使用する必要がある。単純な場合では、これはＮ−成分混合物に対しＮ−１の蒸留塔を必要とする。
図１は、低沸点物Ａ、中沸点物Ｂおよび高沸点物Ｃを含む三成分混合物ＡＢＣを分離するためのａ／ｃ経路を示す。
供給物中で中沸点物の割合が最大である場合、ａ／ｃ経路を使用することが好ましい。この場合、ａ／ｃ経路はエネルギーの最適を示す。第１の塔における分離は、頂部生成物が高沸点物Ｃを含まず、底部生成物が低沸点物Ａを含まないことを確実にする。中沸点物Ｂは第１の塔の頂部留分および底部留分の両方中に存在する。留分ＡＢおよびＢＣの各々は、下流の塔で純粋な生成物Ａ、Ｂ、Ｃに分留される。従って、この変形例は３つの分離工程を必要とする。
２つ以上の蒸留塔を連結することに対する代替は、壁の塔を分割すること、即ち、塔の長手方向に配置された垂直隔壁によって塔の部分における液体流および蒸気流の横混合を防止する塔によって提供される。この塔は、このように、塔の高さの一部に沿って延びており、断面を隔壁の左右に２つの部分に分割する垂直隔壁を含む。
図３は、高沸点物は底流として案内され、中沸点物は側面抜出を介して案内され、低沸点物は頂部流を介して案内される従来の隔壁塔を示す。
この場合、例えば、３成分混合物をその３つの純粋な成分部分に分留することができ、そのためには２つの従来の塔が通常必要とされるであろう。
［図面参照数字］
１ 供給部
２ 取り出し部
３ 精留部
４ ストリッピング部
５ 隔壁
１ 供給部
２ 取り出し部
３ 精留部
４ ストリッピング部
５ 隔壁
塔の長手方向に配置された隔壁５は、塔内部を、供給部１、取り出し部２、上部組み合わせ精留部３３および下部組み合わせストリッピング部４３（黒）に分割する。
分離されるべき混合物の供給入口は、一般に、供給部１の上部領域および下部領域の間の中心領域に配置される。供給部１の上部領域および下部領域の間に１つ以上のさらなる供給入口を提供することも可能である。
隔壁の右の取り出し部２において、１つ以上の側面抜出が上部領域および下部領域の間に配置される。取り出し部２の下部領域および最下部領域の間にさらなる側面抜出を提供することも可能である。
ＷＯ２００９０９２６８２Ａ１は、１，５，９−シクロドデカトリエン（ＣＤＴ）の蒸留による後処理のための方法、および方法を実施するための装置を開示する。目的の達成は、ブタジエンの三量化によって得られた租製ＣＤＴの蒸留による後処理方法から始まる。
隔壁塔は、多成分混合物として製造された粗製ＣＤＴを蒸留により分離するために使用される。隔壁は、１つのプレートまたは２つ以上の接合した個々のプレートから構成することができ、塔の中心部を長手方向に供給部および取り出し部に分割する。隔壁塔で使用できる分離内部に関しては、ランダムパッキングおよび構造化パッキングまたは分離トレーの両方が有益である。緩く挿入されたサブセグメントから隔壁を形成することができる。
ＵＳ６８８４３２４Ｂ２は、粗製無水フタル酸（ＰＡ）の濃縮塔を開示し、この塔は２つの蒸留段階を有し、粗製ＰＡ中の低沸点物の蒸留除去が第一の蒸留段階で行われ、純粋なＰＡからの高沸点物の除去は第二の蒸留段階で行われ、２つの蒸留段階は並んで配置されて、垂直壁によって互いに完全に分離され、第１の蒸留段階の底部は、第２の蒸留段階の底部に接続されている。第１の蒸留段階の底部は、第二の蒸留工程の底部に排水管を介して接続されてもよい。同様に、第１の蒸留段階の底部は、第二の蒸留段階の底部にポンプを介して接続されてもよい。
このように、従来技術は、多成分混合物を分離するために統合されたシステムで異なる分離機能を実施する２つ以上の蒸留塔、または隔壁塔を使用することを開示する。
記載した隔壁塔を使用して、運転コストおよび資本コストに基づいて、約３０％の総節約を実現できる。従って、隔壁塔は蒸留塔の慣習的な相互接続と比較して好ましい。
しかし、隔壁塔は一般に、それらによって置換される対応する個々の装置より大きな寸法を有していることが必要である。隔壁塔の建築高さは、一般に、少なくとも個々の装置の１つの建築高さと等しく、個々の装置の建築高さの合計以下に等しい。
隔壁塔の直径は、水圧荷重に応じて、少なくとも個々の装置の最小直径に等しく、個々の装置のより大きな直径以下に等しい。
分離タスク（多成分混合物）によって、結果は極端な建築高さ、大きい塔直径、このため高い資本コストとなり得、不利である。
これらの問題から本発明の目的が生じる。
本発明の目的は、少なくとも１つの低沸点物、少なくとも１つの中沸点物および少なくとも１つの高沸点物を含む３つ以上の成分の混合物を蒸留により分離する方法であって、３つ以上の成分の混合物は、物質移動を可能にするために第２の蒸留塔と連結された第１の蒸留塔に供給され、第２の蒸留塔は、第２の蒸留塔のストリッピング部および精留部を分割する水平隔壁を含み、第２の蒸留塔は、物質移動を可能にするために第３の蒸留塔と連結され、少なくとも１つの高沸点物を含む底部留分および少なくとも１つの低沸点物を含む頂部留分が第２の蒸留塔から除去され、少なくとも１つの中沸点物は第３の蒸留塔の側面抜出から除去される前記方法によって達成される。
本発明の目的に対し、物質移動を可能にする連結は、各場合において塔の間に適切な供給および戻りラインがあることを意味すると理解される。
３つの塔であって、そのうちの１つは塔のストリッピング部および精留部を分割する水平隔壁を含む前記塔は、物質移動を可能にするために、隔壁を有しない２つの塔が隔壁塔の左側部および右側部として有効にみなすことができるように連結される。
３つ以上の成分の混合物は隔壁塔の左側部分としてみなすことができる第１の塔に供給される。
第１の塔の蒸気は、例えば、水平隔壁、例えば、仕切りプレートによってストリッピング部が精留部から分割されている第２の塔に移行する。
この第２の塔において、少なくとも１つの低沸点物を含有する頂部生成物および少なくとも１つの高沸点物を含有する底部生成物が除去される。
隔壁塔の右側部分としてみなすことができる第３の塔では、少なくとも１つの中沸点物を含む目的生成物が側面抜出を介して排出される。
前記目的はまた、３つ以上の成分の混合物を蒸留により分離するための装置であって、物質移動を可能にするよう互いに連結された３つの蒸留塔を含み、第１の蒸留塔からの蒸気は、第２の蒸留塔の精留部と連通可能に接続され、第２の蒸留塔の精留部は、第３の蒸留塔の蒸気と連通可能に接続され、第１の蒸留塔からの底部抜出は、第２の蒸留塔のストリッピング部と連通可能に接続され、第２の蒸留塔のストリッピング部は、第３の蒸留塔の底部と連通可能に接続され、第２の蒸留塔は、水平隔壁を備え、第３の蒸留塔は、頂部抜出の下および底部抜出の上に１つ以上の側面抜出を備える装置によって達成される。
本発明の目的に対し、連通可能に接続されるとは、各場合において塔の間に適切な供給および戻りラインがあることを意味すると理解される。
従って、本発明は、熱および物質移動を可能にする連結を達成するように、２つの既存の塔に追加の塔が相互接続された装置の構造に関する。
第２の蒸留塔の内部において、好ましくは精留部は、ストリッピング部から水平の不透過性のプレートによって分離される。
運転モードの点で、本発明は装置の設計において異なるが、特に水平の仕切りプレートを有する介入塔の使用により塔に垂直仕切りプレートが必要でないので、本発明は隔壁塔の原理と比較できる。
物質移動を可能にするための２つの塔の連結は、各塔が、他の塔と、空間的に別箇の位置に、少なくとも２つの結合を有することで達成される。
このような塔構成は、エネルギー要件の観点において、同一の数のプレートを有する単一の隔壁塔と同等である。
この構成を使用することで大きなエネルギー節約を実現できるが、従来の単一の隔壁塔の新しい取得と比較して、より低い資本コストを招く。何故ならば、既存の塔が使用でき、新しい隔壁塔よりかなり小さい寸法を有するたった１つの追加の塔を調達しなければならないだけであるからである。その理由は、隔壁塔のストリッピング部および精留部が一般により少ないプレートを有することである。
さらに、この構成では、隔壁部に対応することが意図される２つの塔は、この構成の全直径を維持する。これは、２つの個々の塔の１つのみの直径と同じ直径を有する隔壁塔に比べてプラントの容量を大幅に増加させる。
従って、ほとんどの場合、この構成の資本コストは、同じ分離性能および容量を有する同等の隔壁塔に対する設備投資額よりも低くなるであろう。これは、プラントの容量を増加させるべきであるが、同時に特定のエネルギー要件を低下させるべき場合には、本発明を、改造に対し魅力的にする。
低沸点留分および高沸点留分は、水平隔壁を有する蒸留塔から取り出される。
水平隔壁を有する第２の蒸留塔は、好ましくは、専用の蒸発器および凝縮器を備える。塔の運転圧力は、所定方向の流れが維持されるように調整される。
３つ以上の成分の混合物は、好ましくは、クロロシランを含む混合物またはメチルクロロシランを含む混合物である。
ＴＣＳまたはＭＣＳ合成からの混合物（ＴＣＳ＝トリクロロシラン、ＭＣＳ＝メチルクロロシラン）または多結晶シリコンの蒸着からの混合物が好ましい。
流動床反応器中で３５０から４００℃でＨＣｌと市販の金属シリコンとの反応を介して得られるＴＣＳ、ＳＴＣ、ＤＣＳ、および微量のさらなる不純物（メチルクロロシラン、炭化水素、高沸点物）を含有するクロロシランから構成される混合物が好ましい。
多結晶シリコンを製造するための統合されたシステムでは、ＴＣＳが流動床反応器中で金属シリコンとＨＣｌから、または金属シリコンとＳＴＣ／Ｈ２（ＳＴＣ＝四塩化ケイ素）からのいずれかから粗製シランとして製造される。続いて、この粗製シランは、蒸留／精製によって精製されて、ＴＣＳを形成する。多結晶シリコンは、精製ＴＣＳから蒸着されてとりわけＳＴＣを形成する。典型的には、ＳＴＣがその後利用される（例えば、水素化により、トリクロロシランを形成するか、または燃焼により微粉化したシリカもしくは珪酸エステルを形成する）。
クロロシラン、より具体的にはＴＣＳ、と水素との混合物から多結晶シリコンを蒸着する間、ＳＴＣに加えて高沸点クロロシランの留分が形成される。ここで用語「高沸点クロロシラン」は、珪素、塩素、ならびに、場合により水素、酸素および炭素から構成され、ＳＴＣ（１０１３ｈＰａで５７℃）の沸点よりも高い沸点を有する化合物を記載する。好ましくは、ジシランＨｎＣｌ６−ｎＳｉ２（ｎ＝０から４）、好ましくは２から４個の珪素原子を有する、より高級なオリゴ（クロロ）シラン、環状オリゴシロキサンを含む好ましくは２から４個の珪素原子を有するジシロキサンＨｎＣｌ６−ｎＳｉ２Ｏ（ｎ＝０から４）およびより高級なシロキサン、ならびにそれらのメチル誘導体が挙げられる。
ミュラー・ロヒョー（Ｍｕｅｌｌｅｒ Ｒｏｃｈｏｗ）プロセスの残留物（高沸点物）は本質的に、テトラクロロジメチルジシラン、トリクロロトリメチルジシランおよびジクロロテトラメチルジシラン、即ち、一般組成Ｍｅ６−ｘＣｌｘＳｉ２のメチルクロロジシランである。これらは、少なくとも３００℃の温度で金属シリコンおよびＨＣｌで処理することができる。これは、ＴＣＳとＳＴＣを生成する。
多結晶シリコン（シーメンス法）の蒸着からの排気ガス中の高沸点物は、主に一般組成Ｈ６−ｘＣｌｘＳｉ２のクロロジシラン、および場合によりクロロジシロキサンＨ６−ｘＣｌｘＳｉ２Ｏである。さらに、排気ガスはＴＣＳ、ＳＴＣ、およびＤＣＳを含む。
本発明の好ましい実施形態および従来技術との相違点は、図面を参照して以下に説明する。
図４中の２つの塔Ｋ１およびＫ２はパイプラインを介して塔Ｋ３に連通可能に接続されている。
ここで、塔Ｋ１およびＫ２は、同等の隔壁塔の隔壁部のそれぞれ左側および右側に対応する。
塔Ｋ３は水平仕切プレートによって分離されたストリッピング部４４（黒）および精留部４３からなる。
従って、塔Ｋ３における２つの部は、同等の隔壁部の組み合わされたストリッピングおよび精留部に対応する。
例えば、図２に示すような既存の塔システムが利用可能であるが、その代わりに図３に従う隔壁塔の技術が使用されるべきである場合に、本発明は好ましく使用される。
図４に従う実施形態は隔壁塔と同等であるので、このようにして２つの既存の塔にパイプラインで連結されたたった１つの追加のより小さい塔だけを調達する必要がある。
この新しい塔は、さらに、少なくとも１つの蒸発器Ｅおよび少なくとも１つの凝縮器Ｃを装備する。
既存の装置Ｋ１およびＫ２がさらなる改修を必要としない場合、このように隔壁技術に対する資本的投資は大幅に低減される。塔Ｋ３への接続コストだけを考慮すればよい。
塔Ｋ３が理にかなった寸法を有する場合、本発明は既存の最大容量の最大８０％分、プラントの可能なスループットを向上させる。
本発明で使用される蒸留塔は、好ましくは、分離トレー（ふるいトレー、固定バルブ）のような異なる種類の分離プレート、ランダムパッキング（パッキング体）、または構造化パッキングを装備する。内部は、分離性能および蒸留塔にわたる圧力損失の重要な決定要因である。
記載された蒸留塔は、好ましくは、１から２００の理論段を含み、必要な理論段の数は品質、即ち、分留すべき出発混合物の汚染の度合い、標的生成物の指定された純度要件、主要成分に対する多成分混合物の個々の成分の相対揮発度に依存する。
蒸留塔は、好ましくは、−１から＋１０バールの排気圧力および−２０から＋２００℃の沸点範囲で運転される。
２つ以上の個々の装置からなる統合された蒸留システムに関して、選択される排気圧力は、経済的な側面を考慮して異なっていてもよい。
塔Ｋ３は、好ましくは、熱エネルギーを供給するための１つ以上の蒸発器システムを装備する。従来の蒸発器システムでは、１つ以上の熱発生器がコネクタ／アダプタを介して個々の装置の塔本体にフランジ付けされている。塔本体は、好ましくは、第２の蒸発器システムのためのさらなる接続を装備する。
工学的観点から多種多様な熱発生器が可能であるが、自然循環蒸発器が好ましい。
蒸発のための好ましい操作媒体は、異なる圧力および温度等級の水蒸気および／または熱油である。適切な操作媒体の選択は、主に経済的側面および利用可能性によって決定される。
図４のように、蒸留塔Ｋ１およびＫ２が塔Ｋ３に連結される場合、それぞれの塔の少なくとも１つの蒸気パイプが塔Ｋ３の本体に直接接続されることが好ましい。
２つの塔Ｋ１およびＫ２への還流のために、適切な戻りラインが塔Ｋ３からＫ１およびＫ２の塔本体に直接接続されている。
さらに、２つの塔Ｋ１およびＫ２の底部での液体流は、適切なパイプラインを経由して塔Ｋ３の精留部に直接移行する。これらの液体流は塔Ｋ３の精留部の還流として機能する。塔Ｋ３からの蒸気は、適切なパイプラインを介して２つの塔Ｋ１およびＫ２に戻る。このために、塔Ｋ１およびＫ２上の既存のフランジ接続を使用することができる。
また、塔Ｋ３は、好ましくは、蒸気を凝縮して、それにより塔Ｋ３への還流量を提供するために、１つ以上の凝縮システムを装備する。
比較的低い沸点を有する成分および／または不活性ガスからなる第１の凝縮工程での非凝縮性成分は、好ましくは、さらなる凝縮工程および／またはさらなる後処理／他の用途（好ましくは、スクラバーシステム）に供給される。
凝縮のための好適な操作媒体は、様々な圧力および温度等級の冷却水および／または冷却食塩水である。適切な操作媒体の選択は、主に経済的側面と利用可能性によって決定される。
塔Ｋ１およびＫ２は、好ましくは、それぞれの塔ジャケットに沿って、１つ以上の供給および製品取出口を含む。塔本体の外周および高さ上の有益な位置は熱力学的設計に応じて選択される。
［比較例］−従来の接続
図２は、３成分混合物を分離するための蒸発器Ｅ１および凝縮器Ｃｏｎｄ１を含むストリッピング塔Ｋ１ならびに蒸発器Ｅ２および凝縮器Ｃｏｎｄ２を含む精留塔Ｋ２を含む従来の蒸留配置を示す。
図２は、３成分混合物を分離するための蒸発器Ｅ１および凝縮器Ｃｏｎｄ１を含むストリッピング塔Ｋ１ならびに蒸発器Ｅ２および凝縮器Ｃｏｎｄ２を含む精留塔Ｋ２を含む従来の蒸留配置を示す。
材料流Ｆは、低沸点留分、中沸点留分および高沸点留分を有するクロロシラン含有混合物からなる。
低沸点留分は材料流Ｄ１を介して塔Ｋ１で除去される。
材料流Ｂ１は、高沸点留分が材料流Ｂ２を介して除去され、標的生成物（中沸点留分）が材料流Ｄ２を介して除去される第２の塔Ｋ２に移行する。
表１は、比較例に係るそれぞれの副流中の個々の成分の質量分率を示す。
Ｃ１からＣ３は、メチルクロロシラン、炭化水素およびドーパント化合物のような微量不純物である。
［実施例］
図４は、第１の塔Ｋ１、第２の塔Ｋ２、ならびに蒸発器Ｅと凝縮器Ｃを含む第３の塔Ｋ３を含む、本発明に従う塔構成の好ましい実施形態である。
図４は、第１の塔Ｋ１、第２の塔Ｋ２、ならびに蒸発器Ｅと凝縮器Ｃを含む第３の塔Ｋ３を含む、本発明に従う塔構成の好ましい実施形態である。
材料流Ｆは、低沸点留分、中沸点留分および高沸点留分を有するクロロシラン含有混合物からなる。この材料流は、塔Ｋ１に導入される。
塔Ｋ３では、（ＤＣＳおよびＣ３を含む）低沸点留分は、材料流Ｄを介して除去される。（Ｃ１を含む）高沸点留分は、同様に材料流Ｂを介して塔Ｋ３で除去される。
塔Ｋ２では、標的生成物（ＴＣＳを含む中沸点留分）が側面抜出を介して引き出される。
表２は、実施例に従うそれぞれの副流における個々の成分の質量分率を示す。
比較例と比較して、１つの蒸発器および１つの凝縮器は省略することができることがわかる。
１ 供給部
２ 取り出し部
３ 精留部
４ ストリッピング部
５ 隔壁
２ 取り出し部
３ 精留部
４ ストリッピング部
５ 隔壁
Claims (10)
- 少なくとも１つの低沸点物、少なくとも１つの中沸点物および少なくとも１つの高沸点物を含む３つ以上の成分の混合物（Ｆ）を蒸留により分離する方法であって、３つ以上の成分の混合物（Ｆ）は、第１の蒸留塔（Ｋ１）に供給され、３つの蒸留塔（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）は物質移動を可能にするよう互いに連結されて存在し、第１の蒸留塔（Ｋ１）からの蒸気は、第２の蒸留塔（Ｋ３）の精留部（３４）と連通可能に接続され、第２の蒸留塔（Ｋ３）の精留部は、第３の蒸留塔（Ｋ２）の蒸気と連通可能に接続され、第１の蒸留塔（Ｋ１）からの底部抜出は、第２の蒸留塔（Ｋ３）のストリッピング部（４４）と連通可能に接続され、第２の蒸留塔（Ｋ３）のストリッピング部（４４）は、第３の蒸留塔（Ｋ２）の底部と連通可能に接続され、第２の蒸留塔（Ｋ３）は、ストリッピング部（４４）と第２の蒸留塔（Ｋ３）の精留部（３４）とを隔てる水平不浸透性隔壁を含み、第２の蒸留塔（Ｋ３）は、蒸発器（Ｅ）と凝縮器（Ｃ）を備え、少なくとも１つの高沸点物を含む底部留分（Ｂ）および少なくとも１つの低沸点物を含む頂部留分（Ｄ）は第２の蒸留塔（Ｋ３）から除去され、少なくとも１つの中沸点物（Ｍ）は第３の蒸留塔（Ｋ２）の側面抜出から除去される、方法。
- 蒸留塔（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）は、−１から＋１０バールの排気圧力および−２０から＋２００℃の沸点範囲で運転される、請求項１に記載の方法。
- 少なくとも第２の蒸留塔（Ｋ３）は、操作媒体として種々の圧力および温度の水蒸気および／または熱油を使用する１つ以上の蒸発器システム（Ｅ）を含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
- 少なくとも第２の蒸留塔（Ｋ３）は、操作媒体として種々の圧力および温度の冷却水または冷却食塩水を使用する１つ以上の凝縮システム（Ｃ）を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
- 第１の凝縮工程での非凝縮性の頂部流成分がさらなる凝縮工程および／またはスクラバーシステムに供給される、請求項４に記載の方法。
- ３つ以上の成分の混合物が中沸点物（Ｍ）としてクロロシランを含有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
- ３つ以上の成分の混合物（Ｆ）を蒸留により分離するための装置であって、物質移動を可能にするよう互いに連結された３つの蒸留塔（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）を含み、第１の蒸留塔（Ｋ１）からの蒸気は、第２の蒸留塔（Ｋ３）の精留部（３４）と連通可能に接続され、第２の蒸留塔（Ｋ３）の精留部は、第３の蒸留塔（Ｋ２）の蒸気と連通可能に接続され、第１の蒸留塔（Ｋ１）からの底部抜出は、第２の蒸留塔（Ｋ３）のストリッピング部（４４）と連通可能に接続され、第２の蒸留塔（Ｋ３）のストリッピング部（４４）は、第３の蒸留塔（Ｋ２）の底部と連通可能に接続され、第２の蒸留塔（Ｋ３）は、水平不浸透性隔壁を備え、蒸発器および凝縮器を備え、第３の蒸留塔（Ｋ２）は、頂部抜出の下および底部抜出の上に１つ以上の側面抜出を備える、装置。
- 第１のおよび第３の蒸留塔（Ｋ１、Ｋ２）は１から２００の理論段を含む、請求項７に記載の装置。
- 少なくとも第２の蒸留塔（Ｋ３）は、液体底流を蒸発させるために１つ以上の蒸発器システム（Ｅ）を含み、蒸発器システムの各々は塔本体にフランジ付けされている、請求項７または８に記載の装置。
- 少なくとも第２の蒸留塔は、蒸気流を凝縮するための１つ以上の凝縮システム（Ｃ）を含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の装置。
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