JP6801710B2

JP6801710B2 - 分離装置

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Publication number: JP6801710B2
Application number: JP2018514737A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　直樹; 直樹佐藤; 邦彦中野; 拓哉吉野谷; 玉平劉; 竜太郎中山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2020-12-16
Anticipated expiration: 2037-04-28
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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分離装置に関する。

従来、アルコール飲料や石油化学製品等の蒸留、アンモニアの除去、二酸化炭素の回収のための装置として、棚段塔が開発されている。棚段塔は、円筒型の塔内に、鉛直方向に所定の間隔で複数の棚が設けられ、各棚間（段）で気体と液体との接触（気液接触）を段階的に行なわせるようにした装置である。棚段塔では、相対的に低沸点成分が多く含まれる気相が上の段に送られ、相対的に高沸点成分が多く含まれる液相が下の段へ流れ落ちる。棚段塔は、各段において気液平衡が成立するように構成されている。

この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、棚段塔は、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という課題がある。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、水平方向に延在した筺型の流路の下部に、毛管力によって液体を推進させる複数の溝流路を設けておく技術が開示されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の技術では、溝流路に原料液を導入するとともに、溝流路の一部を加熱することで、原料液を蒸留する。また、特許文献１の技術では、溝流路の上方に形成され、原料液が加熱されることで生成された気体が流通する気体層の高さを、数ｍｍ程度まで低くするとともに、溝流路の液相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、棚段塔と比較して、装置を小型化したとしても、低沸点成分と高沸点成分の分離性能を維持、または、向上させることが可能となる。

特開２００９−１０６９１６号公報

上記した、流路の高さを低くした分離装置において、分離性能をさらに向上させる技術の開発が希求されている。

そこで本開示は、このような課題に鑑み、分離性能をさらに向上させ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、留出液排出口が一端側に設けられ、缶出液排出口が他端側に設けられ、留出液排出口から缶出液排出口に向かって底面が鉛直下方に傾斜する気液接触流路と、気液接触流路のうち留出液排出口と缶出液排出口との間に設けられた原料液導入口と、原料液導入口から缶出液排出口までの間に設けられた気液接触流路中の液体を加熱する回収部と、原料液導入口から留出液排出口までの間に設けられた気液接触流路中の気体を冷却する濃縮部と、気液接触流路の底面から立設し、原料導入口側から缶出液排出口側に延在する複数の第１のリブと、気液接触流路の底面から立設し、原料導入口側から留出液排出口側に延在する複数の第２のリブと、第１のリブ上から第２のリブ上に亘って載置され、気体の流れを蛇行させる蛇行流路を形成する蛇行流路形成部と、を備える。
また、第１のリブにおける原料導入口側の端部または端部近傍に設けられる原料液分配機構を備えてもよい。
また、原料液分配機構は、隣接する第１のリブ間に設けられる多孔質体、第１のリブにおける原料導入口側の端部に設けられる整流板、もしくは、第１のリブにおける所定の箇所から原料導入口側の端部に向かって幅が漸減する漸減部のいずれか１を含んでもよい。

また、前記蛇行流路形成部は、多孔質体で構成されているとしてもよい。

また、前記蛇行流路形成部は、前記留出液排出口と前記缶出液排出口とを結ぶ仮想直線と交差する方向に延在した１または複数の邪魔板で構成されるとしてもよい。

本開示によれば、分離性能をさらに向上させることが可能となる。

図１Ａは、第１の実施形態の分離装置の斜視図である。図１Ｂは、第１の実施形態の分離装置の第１の側面図である。図１Ｃは、第１の実施形態の分離装置の第２の側面図である。分離装置の分解斜視図である。図３Ａは、気液接触ユニットおよび多孔質体を説明する図である。図３Ｂは、熱媒体ユニットを説明する図である。図４Ａは、気液接触流路における液体および気体の流れについて説明する第１の図である。図４Ｂは、気液接触流路における液体および気体の流れについて説明する第２の図である。図４Ｃは、気液接触流路における液体および気体の流れについて説明する第３の図である。図４Ｄは、気液接触流路における液体および気体の流れについて説明する第４の図である。図５Ａは、気液接触流路における液体層および気体層について説明する図である。図５Ｂは、加熱流路における低沸点成分の濃度分布の代表例１を説明する図である。図５Ｃは、加熱流路における低沸点成分の濃度分布の代表例２を説明する図である。冷却流路における低沸点成分の濃度分布の代表例を説明する図である。図７Ａは、第１の実施形態の気液接触ユニットを説明する図である。図７Ｂは、図７ＡのＶＩｂ矢示図である。図８Ａは、第２の実施形態の気液接触ユニットを説明する図である。図８Ｂは、図８ＡのＶＩＩｂ矢示図である。図８Ｃは、図８Ａの部分上面図である。気液接触ユニットの部分上面図を示す。図１０Ａは、第３の実施形態の気液接触ユニットの第１の上面図である。図１０Ｂは、第３の実施形態の気液接触ユニットの第２の上面図である。図１０Ｃは、第３の実施形態の気液接触ユニットの第３の上面図である。図１１Ａは、第４の実施形態の気液接触ユニットを説明する第１の図である。図１１Ｂは、第４の実施形態の気液接触ユニットを説明する第２の図である。図１１Ｃは、第４の実施形態の気液接触ユニットを説明する第３の図である。図１２Ａは、第５の実施形態にかかる分離装置を構成する各モジュールについて説明する第１の図である。図１２Ｂは、第５の実施形態の分離装置を構成する各モジュールについて説明する第２の図である。図１３Ａは、実施例および比較例の留出液中のメタノールの濃度（重量％（ｗｔ％））を示す図である。図１３Ｂは、実施例および比較例のメタノール回収率（％）を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な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。

（第１の実施形態：分離装置１００）
図１Ａは、第１の実施形態の分離装置１００の斜視図である。図１Ｂは、第１の実施形態の分離装置１００の第１の側面図である。図１Ｃは、第１の実施形態の分離装置１００の第２の側面図である。本実施形態の図１Ａ〜図１Ｃを始めとする以下の図では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。

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。留出液は、原料液より低沸点成分が高濃度の液である。缶出液は、原料液より高沸点成分が高濃度の液である。

本実施形態の分離装置１００は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料で形成される。図１Ａ〜図１Ｃに示すように、分離装置１００は、本体部１１０と、原料液導入部１２０と、第１熱媒体導入部１３０と、第１熱媒体排出部１３２と、第２熱媒体導入部１４０と、第２熱媒体排出部１４２と、留出液排出部１５０と、缶出液排出部１６０とを含んで構成される。

原料液導入部１２０は、原料液を本体部１１０に導入する（図１Ａ中、白抜き矢印で示す）。本実施形態において、本体部１１０は、一端側から他端側（図１Ａ中、留出液排出部１５０側から缶出液排出部１６０側）に向かって鉛直下方に、例えば、水平面に対して２．５度程度傾斜している。したがって、本体部１１０に導入された原料液は、一端側から他端側に向かって流れる。すなわち、本体部１１０に導入された原料液は、缶出液排出部１６０に向かって流れる。本体部１１０の傾斜角度は、原料液の性質によって適宜変更してもよい。

第１熱媒体導入部１３０は、低沸点成分の沸点以上の熱媒体を本体部１１０の回収部の流路に導入する（図１Ａ中、黒い塗りつぶしの矢印で示す）。そして、回収部の流路を通過した熱媒体は、第１熱媒体排出部１３２を通じて外部に排出される。したがって、第１熱媒体導入部１３０、第１熱媒体排出部１３２、および、回収部の流路は、回収部として機能する。

第２熱媒体導入部１４０は、低沸点成分の沸点未満の熱媒体を本体部１１０の濃縮部の流路に導入する（図１中Ａ、ハッチングの矢印で示す）。そして、濃縮部の流路を通過した熱媒体は、第２熱媒体排出部１４２を通じて外部に排出される。したがって、第２熱媒体導入部１４０、第２熱媒体排出部１４２、濃縮部の流路は、濃縮部として機能する。

そうすると、本体部１１０において原料液が蒸留されて、留出液と、缶出液とに分離される。そして、本体部１１０において分離された留出液は、留出液排出部１５０の留出液排出口１５２を通じて外部に排出される。また、本体部１１０において分離された缶出液は、缶出液排出部１６０の缶出液排出口１６２を通じて外部に排出される。

なお、本実施形態において、第１熱媒体導入部１３０は、缶出液排出部１６０側から順に、第１熱媒体導入部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄに区画されている。第１熱媒体導入部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄは、缶出液排出部１６０に近づくに従って、回収部の流路に導入する熱媒体の温度を高くしている。また、第２熱媒体導入部１４０は、留出液排出部１５０側から順に、第２熱媒体導入部１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄに区画されている。第２熱媒体導入部１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄは、留出液排出部１５０に近づくに従って、濃縮部の流路に導入する熱媒体の温度を低くしている。これにより、本体部１１０内における留出液と、缶出液との分離効率を向上することが可能となる。

以下、本体部１１０の具体的な構成について説明する。図２は、分離装置１００の分解斜視図である。なお、図２中、理解を容易にするために、第１熱媒体導入部１３０、第２熱媒体導入部１４０、多孔質体、熱媒体ユニット２２０の一端部側に設けられたアングル２２８を省略する。

図２に示すように、本体部１１０は、気液接触ユニット２１０と、熱媒体ユニット２２０とが予め定められた間隔離隔して交互に複数積層された構造である。また、気液接触ユニット２１０の図２中Ｘ軸方向の端部は、第１熱媒体導入部１３０、第１熱媒体排出部１３２、第２熱媒体導入部１４０、第２熱媒体排出部１４２によって封止されている。さらに、最も上に配される熱媒体ユニット２２０は、その上面が天面１１２で封止されている。ここで、気液接触ユニット２１０と熱媒体ユニット２２０の底面によって区画される空間が気液接触流路２１２となる。熱媒体ユニット２２０と気液接触ユニット２１０の底面によって区画される空間が熱媒体流路２２２となる。

本実施形態の分離装置１００では、気液接触流路２１２と熱媒体流路２２２とが並行して設けられる。また、分離装置１００は、気液接触流路２１２と熱媒体流路２２２とが交互に積層された構造である。また、気液接触流路２１２には、後述する多孔質体（図２においては図示を省略）が設けられている。

図３Ａは、気液接触ユニット２１０および多孔質体２５０を説明する図である。図３Ｂは、熱媒体ユニット２２０を説明する図である。図３Ａに示すように、気液接触ユニット２１０は、原料液導入口２１４が底面に形成されている。原料液導入口２１４は、原料液導入部１２０から導入された原料液を受け入れる。また、気液接触ユニット２１０には、複数のリブ２１６ａと、複数のリブ２１６ｂとを備えている。リブ２１６ａは、原料液導入口２１４側から缶出液排出部１６０側に延在する。リブ２１６ｂは、原料液導入口２１４側から留出液排出部１５０側に延在する。したがって、原料液導入口２１４から気液接触流路２１２に導入された原料液等の液体は、リブ２１６ａ、２１６ｂによって区画された流路である区画流路ＤＲを流れる。つまり、区画流路ＤＲにおいて、液体の層である液体層が形成される。なお、以下、リブ２１６ａ、２１６ｂを併せて、リブ２１６と呼ぶ場合もある。

また、多孔質体２５０は、気液接触ユニット２１０のリブ２１６の上面に載置される。または、多孔質体２５０は、区画流路ＤＲの一部に充填される。もしくは、多孔質体２５０は、気液接触ユニット２１０のリブ２１６の上面に載置され、さらに、区画流路ＤＲの一部に充填されてもよい。多孔質体２５０をリブ２１６の上面に載置した場合は、多孔質体２５０の底面がリブ２１６の上面に接触し、多孔質体２５０の上面が熱媒体ユニット２２０の底面に接触する。つまり、気液接触ユニット２１０と熱媒体ユニット２２０との間に多孔質体２５０が配される。気液接触流路２１２は、区画流路ＤＲ（液体層）および多孔質体２５０内の微細な蛇行流路（気体層）で構成される。多孔質体２５０を区画流路ＤＲに充填する場合は、回収部の区画流路ＤＲの原料液導入口２１４側の全流路に充填する。多孔質体２５０については、後に詳述する。

また、図３Ｂに示すように、熱媒体ユニット２２０は、リブ２１６と交差する方向（本実施形態では、直交する方向）に延在した複数のリブ２２６を備えている。リブ２２６によって区画された流路のうち、原料流路ＭＲは、気液接触ユニット２１０と積層された際に原料液導入口２１４に対応する位置に設けられる流路である。原料流路ＭＲには、原料液導入部１２０から原料液が導入される。したがって、原料液は、原料流路ＭＲ、原料液導入口２１４を通じて気液接触流路２１２に導入される。

また、リブ２２６によって区画された流路のうち回収部の流路Ｒａには、第１熱媒体導入部１３０から熱媒体が導入される。回収部の流路Ｒａを流れた熱媒体は、第１熱媒体排出部１３２ａに排出される。同様に、第１熱媒体導入部１３０ｂから導入された熱媒体は、回収部の流路Ｒｂを流れた後、第１熱媒体排出部１３２ｂから排出される。第１熱媒体導入部１３０ｃから導入された熱媒体は、回収部の流路Ｒｃを流れた後、第１熱媒体排出部１３２ｃから排出される。第１熱媒体導入部１３０ｄから導入された熱媒体は、回収部の流路Ｒｄを流れた後、第１熱媒体排出部１３２ｄから排出される。

また、第２熱媒体導入部１４０ａから導入された熱媒体は、濃縮部の流路Ｃａを流れた後、第２熱媒体排出部１４２ａから排出される。同様に、第２熱媒体導入部１４０ｂから導入された熱媒体は、濃縮部の流路Ｃｂを流れた後、第２熱媒体排出部１４２ｂから排出される。第２熱媒体導入部１４０ｃから導入された熱媒体は、濃縮部の流路Ｃｃを流れた後、第２熱媒体排出部１４２ｃから排出される。第２熱媒体導入部１４０ｄから導入された熱媒体は、濃縮部の流路Ｃｄを流れた後、第２熱媒体排出部１４２ｄから排出される。

また、熱媒体ユニット２２０におけるリブ２２６と直交する方向（区画流路ＤＲの延在方向）の両端部には、下方に立設するアングル２２８が設けられている。アングル２２８は、区画流路ＤＲから外部（留出液排出口１５２）への気体の漏出を防止する。また、アングル２２８は、区画流路ＤＲから、当該区画流路ＤＲの下段に位置する区画流路ＤＲへの缶出液の流入を防止する。

ここで、気液接触流路２１２の寸法関係について説明する。区画流路ＤＲの底面の幅Ｗ（リブ２１６同士の基端間の距離）は、例えば、１ｍｍ程度である。区画流路ＤＲの高さＨｌ（リブ２１６の高さ）は、例えば、３ｍｍ程度である。また、図２に示す、リブ２１６の先端と熱媒体流路２２２の底面との距離Ｈｇは、例えば、１００μｍ〜１０ｍｍ程度（ここでは、１ｍｍ）である。さらに、気液接触流路２１２の流通方向の長さＬは、例えば、３００ｍｍである。

（気液接触流路２１２における液体および気体の流れ）
続いて、気液接触流路２１２における液体および気体の流れについて具体的に説明する。図４Ａは、気液接触流路２１２における液体および気体の流れについて説明する第１の図である。図４Ｂは、気液接触流路２１２における液体および気体の流れについて説明する第２の図である。図４Ｃは、気液接触流路２１２における液体および気体の流れについて説明する第３の図である。図４Ｄは、気液接触流路２１２における液体および気体の流れについて説明する第４の図である。図４Ａ〜図４Ｄ中、液体の流れを白抜き矢印で示し、気体の流れを黒い塗りつぶしの矢印で示す。なお、図４Ａ〜図４Ｄ中、理解を容易にするために、熱媒体流路２２２、多孔質体２５０を省略する。

上記したように、本体部１１０（気液接触流路２１２の底面２１２ａ）は、留出液排出部１５０側から缶出液排出部１６０側に向かって鉛直下方に傾斜している。このため、図４Ａに示すように、原料液導入口２１４から導入された原料液は、自重で缶出液排出口１６２に向かって気液接触流路２１２（区画流路ＤＲ）を流れる。

原料液導入口２１４から缶出液排出口１６２の間には、回収部の流路Ｒが積層されている。このため、缶出液排出口１６２へ向かって流れる間に、原料液は、気液接触流路２１２のうち回収部の流路Ｒで加熱される流路（以下、単に「加熱流路ＨＲ」と称する）を通過する。そうすると、図４Ｂに示すように、原料液は、加熱流路ＨＲを通過する際に、低沸点成分の沸点以上に加熱される。これにより、原料液から、低沸点成分を多く含む気体が生成される。

上述したように、加熱流路ＨＲにおいて原料液が加熱されると、原料液から気体が生成される。加熱流路ＨＲは、全域に亘って回収部の流路Ｒよって加熱されている。したがって、加熱流路ＨＲにおいては、缶出液排出口１６２に向かうに従って気体の生成量が増加する。このため、加熱流路ＨＲにおいて、原料液導入口２１４側と、缶出液排出口１６２側とで圧力差が生じる。つまり、加熱流路ＨＲにおいては、缶出液排出口１６２側の方が、原料液導入口２１４側よりも圧力が高くなる。これにより、加熱流路ＨＲにおいて生成された気体は、液体の流れと逆方向、すなわち、原料液導入口２１４（留出液排出口１５２）に向かって流れる。

原料液導入口２１４から留出液排出口１５２の間には濃縮部の流路Ｃが積層されている。このため、加熱流路ＨＲから留出液排出口１５２に向かって流れる気体は、気液接触流路２１２のうち濃縮部の流路Ｃで冷却される流路（以下、単に「冷却流路ＣＲ」と称する）を通過する。そうすると、図４Ｃに示すように、気体は、冷却流路ＣＲを通過する際に、低沸点成分の沸点未満に冷却される。したがって、低沸点成分および高沸点成分が凝縮して液体となる。そして、冷却流路ＣＲで生成された液体は、加熱流路ＨＲに向かって流れる。つまり、本実施形態にかかる分離装置１００では、濃縮部の流路Ｃによって凝縮された低沸点成分および高沸点成分が、加熱流路ＨＲに戻る。このため、還流が遂行されることになり、低沸点成分と高沸点成分の分離性能を向上することが可能となる。

そして、図４Ｄに示すように、留出液排出部１５０に到達した気体であって、留出液排出部１５０において凝縮された液体が留出液として留出液排出口１５２を通じて外部に排出される。また、加熱流路ＨＲにおいて蒸発しなかった液体が缶出液として缶出液排出口１６２を通じて外部に排出される。

続いて、気液接触流路２１２における液体層および気体層について説明する。図５Ａは、気液接触流路２１２における液体層および気体層について説明する図である。図５Ｂは、加熱流路における低沸点成分の濃度分布の代表例１を説明する図である。図５Ｃは、加熱流路における低沸点成分の濃度分布の代表例２を説明する図である。図６は、冷却流路における低沸点成分の濃度分布の代表例を説明する図である。なお、図５Ａ〜図５Ｃ、図６では、理解を容易にするために、気液接触流路２１２を傾斜させず、かつ、液体の層（液体層）と、気体の層（気体層）との高さ方向の距離を等しく示す。

図５Ａに示すように、気液接触流路２１２内では、液体層ＬＬと、気体層ＧＬとが形成される。液体層ＬＬは、留出液排出口１５２側から缶出液排出口１６２へ液体が流れる層である。気体層ＧＬは、液体層ＬＬの上方において缶出液排出口１６２側から留出液排出口１５２側へ気体が流れる層である。そして、液体層ＬＬと気体層ＧＬとの境界において気液接触が生じ、気液接触流路２１２は気液平衡状態となる。

なお、上述したように、本実施形態において、気液接触流路２１２の高さは、４ｍｍ程度と短い。このため、液体層ＬＬおよび気体層ＧＬの高さも４ｍｍ以下と短い。ここで、気体層ＧＬの高さと、気液平衡に到達する速度との関係について図５Ｂ、図５Ｃ、図６を用いて説明する。図５Ｂ、図５Ｃに示すように、加熱流路ＨＲ（回収部の流路Ｒ側）では、低沸点成分は、液体層ＬＬから蒸発する。このため、液体層ＬＬにおいては、気体層ＧＬとの液面近傍の境界層δｌにおいて、低沸点成分の濃度が低く、気体層ＧＬから離隔するに従って低沸点成分の濃度が高くなる。したがって、液体層ＬＬにおいて、低沸点成分は、壁面（底面）から気体層ＧＬに向かう方向に拡散する。ここで、液体層ＬＬの高さが小さいほど低沸点成分の濃度勾配が大きくなるため、物質移動速度が大きくなり、蒸発が促進される。一方、図６に示すように、冷却流路ＣＲ（濃縮部の流路Ｃ側）では、蒸気が冷却されることにより、低沸点成分が気体層ＧＬから凝縮する。このため、気体層ＧＬにおいては、液体層ＬＬとの液面近傍の境界層δｇにおいて、低沸点成分の濃度が低く、液体層ＬＬから離隔するのに従って低沸点成分の濃度が高くなる。したがって、気体層ＧＬにおいて、低沸点成分は、壁面（上面）から液体層ＬＬに向かう方向に拡散する。ここでも、気体層ＧＬの高さが短いほど低沸点成分の濃度勾配が大きくなるため、物質移動速度が大きくなり、凝縮が促進される。

つまり、気体層ＧＬおよび液体層ＬＬの高さが短いほど、物質移動に要する時間が短くなるため、気液平衡に到達する時間も短くなる。つまり、気液平衡に到達する速度は、気体層ＧＬおよび液体層ＬＬの高さが短いほど大きくなる。このため、気体層ＧＬおよび液体層ＬＬの高さを短く（例えば、１０ｍｍ以下）することで、気液平衡に到達するまでの時間を、従来の棚段塔と比較して、極めて短縮することが可能となる。

しかし、気体層ＧＬの高さには限界がある。そこで、本実施形態の分離装置１００では、気体層ＧＬに多孔質体２５０を設け、気体層ＧＬを流れる気体の流れを蛇行させる。つまり、気液接触流路２１２における気体が流れる距離を留出液排出部１５０と缶出液排出部１６０とを結ぶ最短距離よりも長くする。

一方で、蒸気量と気体層ＧＬの体積は変わらないため、滞留時間は変わらない。つまり、多孔質体２５０内を流れるガスは蛇行しながら流速が一時的に速くなっている。これにより、境界層δｇの厚さはさらに薄くなる。つまり、物質移動速度が速くなり、さらに気液平衡に到達する時間を短くしていると考えられる。したがって、低沸点成分と高沸点成分の分離性能を向上させることが可能となる。

また、多孔質体２５０を区画流路ＤＲに充填する場合は原料液が全ての区画流路ＤＲに流入し易くなる効果がある。区画流路ＤＲを下り勾配としているため、原料液は区画流路ＤＲに流入するが、原料液と流路に働く表面張力などの抵抗により、一部の流路には流入するが全ての区画流路ＤＲに流入しない事が生じる。そこで、区画流路ＤＲに充填した多孔質体２５０により原料液の流入を促進する。一方で、多孔質体２５０が液で満たされて飽和状態となると大きな抵抗となり、未だ流入していない流路へ原料液が流入する。この現象を繰り返して、最終的には全ての区画流路ＤＲに原料液が流入される。これにより、原料液が流れる滞留時間が長くなり、十分に加熱されてほぼすべての低沸点成分を蒸発させる事となる。したがって、低沸点成分と高沸点成分の分離性能を向上し、特に回収率を大きく向上させる事が可能となる。

なお、多孔質体２５０の材質に限定はないが、熱伝導率が大きく、原料液に含まれる成分に対する耐食性を有するものがよい。多孔質体２５０は、例えば、金属（例えば、ステンレス鋼、チタン）、合成樹脂、プラスチック（例えば、フッ素樹脂）、ガラス、セラミックス等で構成されるとよい。また、多孔質体２５０はスポンジであってもよい。

また、多孔質体２５０に形成される蛇行流路の流路断面積は、毛細管現象によって液体層ＬＬの液体を吸い込まない程度に大きいとよい。つまり、原料液の成分に基づいて、多孔質体２５０の流路断面積（孔径）が設計される。これにより、気体層ＧＬの圧力損失が上昇してしまう事態を回避することができる。

以上説明したように、本実施形態にかかる分離装置１００によれば、気体層ＧＬに多孔質体２５０を設けることにより、気体の物質移動速度を向上させて、低沸点成分と高沸点成分の分離性能を向上させるとともに処理量の増加が可能となる。また、分離装置１００は、気液接触ユニット２１０と、熱媒体ユニット２２０とが交互に複数積層された構造であるため、原料液の処理量を増加させることができる。

（第２の実施形態）
図７Ａは、第１の実施形態の気液接触ユニット２１０を説明する図である。図７Ｂは、図７ＡのＶＩｂ矢示図である。図８Ａは、第２の実施形態の気液接触ユニット３１０を説明する図である。図８Ｂは、図８ＡのＶＩＩｂ矢示図である。図８Ｃは図８Ａの部分上面図である。図９は、気液接触ユニット３５０の部分上面図を示す。

図７Ａ、図７Ｂに示すように、上記第１の実施形態にかかる気液接触ユニット２１０は、リブ２１６ａの底面と、原料液導入口２１４との間に立上部２１８が設けられている。したがって、原料液導入口２１４から原料液が導入されると、原料液は、立上部２１８を通って（乗り越えて）区画流路ＤＲに到達する。この際、図７Ｂに示すように、原料液（図７Ｂ中、破線で示す）に表面張力が働き、中央に配される区画流路ＤＲ４と、他の区画流路ＤＲ１〜３、ＤＲ５〜７とで導入される原料液の量に差が生じる。具体的に説明すると、中央から両端に配されるＤＲ１、ＤＲ７に向かうに従って、原料液の導入量が少なくなる。

そこで、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、リブ２１６ａの原料液導入口２１４側に整流板３１２を設けておく。整流板３１２は、気液接触ユニット３１０の底面（立上部２１８の基端部）から立設して設けられる。そうすると、原料液導入口２１４から導入された原料液は、整流板３１２間の流路を通って、区画流路ＤＲに導入される。つまり、原料液は、整流板３１２間の流路に分配されてから区画流路ＤＲに導入される。これにより、区画流路ＤＲ１〜ＤＲ７間の原料の導入量の差を低減することができ、区画流路ＤＲごとの分離性能の偏りを低減することが可能となる。

また、図８Ｂ、図８Ｃに示すように、第２の実施形態では、整流板３１２間の距離Ｗａが、区画流路ＤＲの幅Ｗよりも短くなるように、整流板３１２が構成されている。このため、原料液は、狭い流路から広い区画流路ＤＲに導かれる。したがって、区画流路ＤＲに導入される際に、原料液の流速が遅くなり、区画流路ＤＲ１〜ＤＲ７間の原料の導入量の差をさらに低減することができる。

また、区画流路ＤＲの原料液導入口２１４側の端部の幅Ｗｂを缶出液排出部１６０側より広くするようにリブ３１６ａを構成した、図９に示す気液接触ユニット３５０としてもよい。これにより、区画流路ＤＲの原料液の受け入れ口を広くすることができ、区画流路ＤＲ１〜ＤＲ７間の原料の導入量の差を低減することができる。

（第３の実施形態）
上記第１の実施形態では、気体層ＧＬに多孔質体２５０を設置することで、気体層ＧＬを流れる気体の滞留時間を長くする構成を例に挙げて説明した。第３の実施形態では、液体層ＬＬを形成する区画流路の形状を工夫することで液体の滞留時間を長くする。

図１０Ａは、第３の実施形態の気液接触ユニット４１０の第１の上面図である。図１０Ｂは、第３の実施形態の気液接触ユニット４２０の第２の上面図である。図１０Ｃは、第３の実施形態の気液接触ユニット４３０の第３の上面図である。なお、図１０Ａ〜図１０Ｃ中、理解を容易にするために、リブを黒い塗りつぶしで示す。

例えば、図１０Ａに示す、気液接触ユニット４１０は、複数のリブ４１６ａを備える。リブ４１６ａは、留出液排出口１５２と缶出液排出口１６２とを結ぶ仮想直線Ｋ（リブ４１６ａを設けない場合の原料液の流れ方向）と直交する方向に延在する。つまり、気液接触ユニット４１０は、リブ４１６ａが所謂ラビリンス構造に配されたものである。また、図１０Ｂに示す、気液接触ユニット４２０は、複数のリブ４２６ａを備える。リブ４２６ａは、仮想直線Ｋと交差する方向に延在する。また、図１０Ｃに示す、気液接触ユニット４３０は、底面から柱形状の棒部材４３６ａを複数立設させた構造である。

上記気液接触ユニット４１０〜気液接触ユニット４３０によれば、液体層ＬＬを流れる液体の流れを蛇行させることができる。つまり、気液接触流路２１２における液体が流れる距離を留出液排出部１５０から缶出液排出部１６０を結ぶ最短距離よりも長くする蛇行流路を形成することができる。

これにより、液体層ＬＬにおける液体の滞留時間を長くすることができる。したがって、低沸点成分と高沸点成分の分離性能を向上させることが可能となる。

なお、液体層ＬＬに上記多孔質体２５０を設置する構成も考えられるが、気体と比較して液体は粘度が高い。このため、液体層ＬＬに多孔質体２５０を設置する構成では、圧力損失が大きくなってしまい、処理速度が低下してしまう。したがって、上記気液接触ユニット４１０〜気液接触ユニット４３０に示すような構成とすることにより、処理速度の低下を防止しつつ、低沸点成分と高沸点成分の分離性能を向上させることができる。

（第４の実施形態）
上記第１の実施形態の気液接触ユニット２１０は、溝加工を施すことによって形成される。しかし、他の構成で、気液接触ユニットに複数の区画流路ＤＲを形成することもできる。

図１１Ａは、第４の実施形態の気液接触ユニット５１０を説明する第１の図である。図１１Ｂは、第４の実施形態の気液接触ユニット５２０を説明する第２の図である。図１１Ｃは、第４の実施形態の気液接触ユニット５３０を説明する第３の図である。図１１Ａに示すように、リブ２１６に代えて、隆起および陥没した板形状の部材５１２、すなわち、波板形状（コルゲート形状）の板部材を設置してもよい。そうすると、部材５１２によって、気液接触流路２１２が、複数の区画流路ＤＲに区画される。複数の区画流路ＤＲは、仮想直線Ｋに直交する方向（図１１Ａ中Ｘ軸方向）に並列している。また、部材５１２には、貫通孔５１４が設けられている。したがって、部材５１２の下方を流れる液体を部材５１２の上方に移動させることができる。また、部材５１２の上方を流れる液体を部材５１２の下方に移動させることができる。したがって、液体の拡散を促進することができる。また、図１１Ｂに示すように、切欠き５２４が形成された部材５１２を設置した気液接触ユニット５２０であってもよい。

さらに、図１１Ｃに示すように、第１部材５３２、第２部材５３４が、図１１Ｃ中Ｙ軸方向において所定間隔離間して設けられた気液接触ユニット５３０であってもよい。第１部材５３２、第２部材５３４は、隆起および陥没した板形状の部材である。第１部材５３２、第２部材５３４は、仮想直線Ｋ上（図１１Ｃ中Ｙ軸方向）において、第１部材５３２の隆起部と、第２部材５３４の陥没部とが重なり合うように配置される。

このように、リブ２１６に代えて、波板形状の部材５１２、５３２、５３４を配置することにより、気液接触ユニット５１０、５２０、５３０の製造コストを低減することが可能となる。

（第５の実施形態）
上記第１の実施形態では、本体部１１０に、留出液排出部１５０および缶出液排出部１６０が接続された分離装置１００について説明した。しかし、原料液に含まれる成分によっては、本体部１１０の長さＬが足りない場合もある。また、原料液に３種類以上の成分が含まれている場合、これらをそれぞれ分離したいという要望もある。そこで、第５の実施形態では、本体部１１０、留出液排出部１５０、缶出液排出部１６０をモジュール化することで、原料液の成分に拘らず、原料液を効率よく分離できる分離装置について説明する。

図１２Ａは、第５の実施形態の分離装置を構成する各モジュールについて説明する第１の図である。図１２Ｂは、第５の実施形態の分離装置を構成する各モジュールについて説明する第２の図である。なお、図１２Ａ、図１２Ｂ中、理解を容易にするために、第１熱媒体導入部１３０、第１熱媒体排出部１３２、第２熱媒体導入部１４０、第２熱媒体排出部１４２を省略する。

図１２Ａに示すように、第５の実施形態の分離装置６００は、流路モジュール６１０と、導入モジュール６２０と、第１排出モジュール６３０と、第２排出モジュール６４０とを含んで構成される。流路モジュール６１０は、内部に気液接触流路２１２と熱媒体流路２２２とが積層されたモジュールである。導入モジュール６２０は、内部に気液接触流路２１２と熱媒体流路２２２とが積層されるモジュールである。また、導入モジュール６２０には、気液接触流路２１２に原料液を導入する原料液導入部６２２が設けられる。第１排出モジュール６３０は、内部に気液接触流路２１２と熱媒体流路２２２とが積層されるモジュールである。第１排出モジュール６３０には、気液接触流路２１２から液体を排出する液体排出部６３２が設けられる。第２排出モジュール６４０は、内部に気液接触流路２１２と熱媒体流路２２２とが積層されるモジュールである。第２排出モジュール６４０には、気液接触流路２１２から気体を排出する気体排出部６４２が設けられる。

上記流路モジュール６１０、導入モジュール６２０、第１排出モジュール６３０、第２排出モジュール６４０を組み合わせて分離装置を構成することにより、様々な原料液を分離することができる。

例えば、原料液に成分Ａ、成分Ｂ、成分Ｃが含まれており、これら３つの成分Ａ、Ｂ、Ｃの分離を試みる場合、図１２Ｂのように、各モジュール６１０〜６４０を組み合わせるとよい。そうすると、導入モジュール６２０の原料液導入部から原料液（成分Ａ、成分Ｂ、成分Ｃが含まれる）が導入され、原料液は、第２排出モジュール６４０、流路モジュール６１０、第１排出モジュール６３０を移動し、この間に成分Ａ、Ｂが蒸発する。そして、残留した成分Ｃは、図１２Ｂ中右端に設けられた第１排出モジュール６３０の液体排出部６３２から缶出液として排出される。一方、蒸発した成分Ａ、Ｂは、図１２Ｂ中左側に移動し、成分Ｂは、第２排出モジュール６４０の気体排出部６４２から留出ガスとして排出される。そして、成分Ａは、導入モジュール６２０、第１排出モジュール６３０を通過する間に凝縮されて、左端に設けられた第１排出モジュール６３０の液体排出部６３２から留出液として排出される。

また、原料液に含まれる成分Ｃ、Ｄを分離する場合、成分Ｃ、Ｄの沸点の差に基づいて、流路モジュール６１０の数を設定することもできる。例えば、成分Ｃ、Ｄの沸点の差が大きい場合、流路モジュール６１０の数は少なくなる。成分Ｃ、Ｄの沸点の差が小さい場合、流路モジュール６１０の数は多くなる。

（実施例）
実施例１として、多孔質体２５０をリブ２１６の上面（気体層）に載置した分離装置１００を用いて蒸留を行った。実施例２として、多孔質体２５０を区画流路ＤＲの一部に充填した分離装置１００を用いて蒸留を行った。比較例として蛇行流路形成部（多孔質体）を備えない分離装置を用いて蒸留を行った。なお、原料液としてメタノールと水との混合液を用いた。

図１３Ａは、実施例および比較例の留出液中のメタノールの濃度（重量％（ｗｔ％））を示す図である。図１３Ｂは、実施例および比較例のメタノール回収率（％）を示す図である。なお、図１３Ａ、図１３Ｂ中、実施例１を菱形で示し、実施例２を三角で示し、比較例を丸で示す。

なお、メタノールの回収率は、下記式（１）を用いて算出した。
メタノールの回収率＝１００×Ｄ×Ｘ_Ｄ／（Ｆ×Ｘ_Ｆ） …式（１）
ここで、Ｆは原料液の供給流量（ｇ／ｍｉｎ）、Ｄは留出液の排出流量（ｇ／ｍｉｎ）、Ｘ_Ｆは原料液中のメタノールの濃度、Ｘ_Ｄは流出液中のメタノールの濃度を示す。

図１３Ａに示すように、実施例１は、比較例より留出液中のメタノールの濃度が高いことが分かった。また、実施例２は、原料液の供給流量が７ｇ／ｍｉｎ以下である場合には、比較例より留出液中のメタノールの濃度が高いことが分かった。また、図１３Ｂに示すように、実施例１、２は、比較例よりメタノールの回収率が高いことが分かった。

したがって、分離装置１００が蛇行流路形成部（多孔質体）を備える構成により、分離性能（留出液中の低沸点成分の濃度）を向上させることができることが確認された。また、分離性能の向上は、蛇行流路形成部内で流体が蛇行することに基づく物質移動速度の増加によって、加熱流路ＨＲで発生した蒸気の凝縮量が増加したためであると考えられる。また、均一に区画流路ＤＲに流入できた事により、回収部での原料液の滞留時間が長くなり、全ての低沸点成分を蒸発する事ができたためであると考えられる。

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、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、気液接触流路２１２の底面２１２ａが留出液排出口１５２から缶出液排出口１６２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、気液接触流路２１２の底面２１２ａ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、気液接触流路２１２の長さＬ方向全域に亘って、多孔質体２５０が設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、多孔質体２５０は、気液接触流路２１２の長さＬ方向に間欠的に設けられていてもよい。

また、上記実施形態において、多孔質体２５０の内部流路断面積（孔の断面積の和）が、気液接触流路２１２の長さＬ方向全域に亘って一様である構成を例に挙げて説明した。しかし、留出液排出口１５２側と缶出液排出口１６２側とで孔の断面積の和を異ならせてもよい。例えば、缶出液排出口１６２側の方が、留出液排出口１５２側より孔の断面積の和を大きくしてもよい。つまり、冷却流路ＣＲより加熱流路ＨＲの方が孔の断面積の和を大きくしてもよい。これにより、流路断面積が大きくなり、気体の量が多い缶出液排出口１６２側で気体の圧力損失を低減することが可能となる。

また、上記実施形態では、気体層ＧＬを流れる気体の流れを蛇行させる蛇行流路を形成する蛇行流路形成部として、多孔質体２５０を気体層ＧＬに設ける構成を例に挙げて説明した。しかし、蛇行流路形成部は、気体層ＧＬを流れる気体の流れを蛇行させる蛇行流路を形成することができれば、構成に限定はない。例えば、蛇行流路形成部は、気体の流れ方向と交差する方向に延在した１または複数の邪魔板で構成されるとしてもよい。

また、上記実施形態において、気液接触流路２１２の寸法関係や傾斜角について説明した。しかし、原料液における低沸点成分と高沸点成分との割合、目的とする分離性能、原料液導入部１２０による原料液の導入流速（処理速度）に基づいて、気液接触流路２１２の寸法関係や傾斜角を適宜設定すればよい。

また、上記実施形態において、低沸点成分および高沸点成分が、常温常圧で液体である場合を例に挙げて説明した。しかし、低沸点成分は、常温常圧で気体であってもよい。例えば、低沸点成分として、アンモニアや、二酸化炭素を含む原料液を分離する場合にも、上記実施形態の分離装置を利用することができる。

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分離装置に利用することができる。

ＧＬ気体層
１００分離装置
１３０第１熱媒体導入部（回収部）
１３２第１熱媒体排出部（回収部）
１４０第２熱媒体導入部（濃縮部）
１４２第２熱媒体排出部（濃縮部）
１５２留出液排出口
１６２缶出液排出口
２１２気液接触流路
２１４原料液導入口
２２２熱媒体流路（回収部、濃縮部）
２５０多孔質体（蛇行流路形成部）
６００分離装置

Claims

留出液排出口が一端側に設けられ、缶出液排出口が他端側に設けられ、前記留出液排出口から前記缶出液排出口に向かって底面が鉛直下方に傾斜する気液接触流路と、
前記気液接触流路のうち前記留出液排出口と前記缶出液排出口との間に設けられた原料液導入口と、
前記原料液導入口から前記缶出液排出口までの間に設けられた前記気液接触流路中の液体を加熱する回収部と、
前記原料液導入口から前記留出液排出口までの間に設けられた前記気液接触流路中の気体を冷却する濃縮部と、
前記気液接触流路の底面から立設し、前記原料導入口側から前記缶出液排出口側に延在する複数の第１のリブと、
前記気液接触流路の底面から立設し、前記原料導入口側から前記留出液排出口側に延在する複数の第２のリブと、
前記第１のリブ上から前記第２のリブ上に亘って載置され、気体の流れを蛇行させる蛇行流路を形成する蛇行流路形成部と、
を備える分離装置。
前記第１のリブにおける前記原料導入口側の端部または前記端部近傍に設けられる原料液分配機構を備える請求項１に記載の分離装置。
前記原料液分配機構は、隣接する前記第１のリブ間に設けられる多孔質体、前記第１のリブにおける前記原料導入口側の端部に設けられる整流板、もしくは、前記第１のリブにおける所定の箇所から前記原料導入口側の端部に向かって幅が漸減する漸減部のいずれか１を含む請求項２に記載の分離装置。
前記蛇行流路形成部は、多孔質体で構成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の分離装置。
前記蛇行流路形成部は、前記留出液排出口と前記缶出液排出口とを結ぶ仮想直線と交差する方向に延在した１または複数の邪魔板で構成される請求項１から３のいずれか１項に記載の分離装置。