JP6938519B2 - 抽出蒸留法による材料の分離方法 - Google Patents

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Description

本発明は、抽出蒸留による材料の分離方法に関する。
従来の蒸留法によっては分離することができないか又は分離しにくい共沸混合物又は狭沸点範囲混合物（narrow-boiling mixture）であっても、抽出蒸留によってしばしば分離できる場合があることが知られている。
抽出蒸留法は、分離すべき混合物の成分の一つの揮発性を選択的に減少させる抽出剤に、蒸気を接触させるものである。また、抽出剤は、分離する材料又は物質よりも高い沸点、又は著しく低い蒸気圧を有している。抽出剤は、分離すべき物質の１つと共に、塔（カラム）の液溜め（サンプ：sump）を介して取り出される。抽出された物質はストリッパー中で遊離され、また、ストリッパーの液溜めから取り出された再生の抽出剤は再利用することができる。
抽出蒸留により材料を分離する方法は複数の留出物を含み、したがってエネルギー集約的であり、最適なエネルギー統合(energy integration)が、その経済的操業・運転にとって重要である。再生した抽出剤の熱エネルギーを回収して抽出蒸留塔（カラム）を加熱するか、又は装填した抽出剤流を予熱することが知られている。例えば、ＵＳ２０１４／０１２４３５８Ａ１には、抽出蒸留塔の横方向に設けた複数の蒸発器によって当該塔を多段階で加熱する方法が記載されている。この各蒸発器が、塔の収集トレイ（棚段）からの側面分岐管(side takeoff)を加温している。各蒸発器から供される液体／蒸気混合相流を抽出蒸留塔に再循環させている。さらに、塔の液溜めは任意の蒸発器により加熱される。塔の横方向に設けた蒸発器の運転は、熱い再生抽出剤を用いて行われている。任意の液溜め用蒸発器は、さらに低圧スチーム又は中圧スチームにより運転することができる。
しかし、ＵＳ２０１４／０１２４３５８Ａ１の方法は、収集トレイで区切られた複数の区画室が上下に配置されており、これが抽出蒸留塔の高さを増加させてしまうという欠点を有する。したがって、少なくとも３つの蒸発器によって塔の加熱を行う場合には、少なくとも区画室を上下に複数配置することが要求される。
ＵＳ２０１４／０１２４３５８Ａ１
本発明の一目的は、抽出蒸留塔の高さを著しく増加させることなく、最適なエネルギー統合を可能にする抽出蒸留方法を特定せんとすることである。
この目的は、材料ＡよりもＢに対してより高い親和性を有する抽出剤を使用する、抽出蒸留によって材料Ａ及びＢの混合物を分離する方法であって、
ａ）Ａ及びＢを含む原料流を塔中の抽出剤に向けて導き、ここで、Ａを含む塔頂留分、並びにＢ及び抽出剤を含む液体留分を得て、
ｂ）液体留分を収集トレイ上に集め、第１の間接熱交換器で加熱し、部分的に蒸発させ、生成する蒸気を塔内に放出させ、液体留分の非蒸発部分を液溜め留分として塔の液溜めに集め、
ｃ）液溜め留分を、第２の間接熱交換器及び第３の間接熱交換器で連続的に加熱し、部分的に蒸発させ、ここで、得られる蒸気は少なくとも部分的に塔内に放出させ、
ｄ）液溜め留分を、ストリッパーでＢを含む留分と抽出剤留分とに分離し、
ｅ）抽出剤留分を第２の熱交換器用の熱媒体として使用し、ここで、部分的に冷却された抽出剤留分を得て、及び、外部熱媒体を第３の熱交換器に使用し、及び
ｆ）部分的に冷却された抽出剤留分を第１の熱交換器用の熱媒体として使用することを特徴とする方法により達成される。
本発明に係る方法を実施するための装置設備を概略的に示す。 図１に示す塔３の特定の実施形態を概略的に示す。 図２の塔の液溜めを分割するための隔壁の好ましい配置を示す。 図２の塔の液溜めを分割するための隔壁の好ましい配置を示す。 図２の塔の液溜めを分割するための隔壁の好ましい配置を示す。 図１に示す塔３についての更なる実施形態を概略的に示す。 図１に示す塔３についての更なる実施形態を概略的に示す。 図１に示す塔３についての更なる実施形態を概略的に示す。 図１に示す塔３についての更なる実施形態を概略的に示す。 図１に示す塔３についての更なる実施形態を概略的に示す。 図１に示す塔３についての更なる実施形態を概略的に示す。 図１に示す塔３についての更なる実施形態を概略的に示す。
本発明によれば、液溜め留分は、第２の間接熱交換器及び第３の間接熱交換器で連続的に加熱され部分的に蒸発される。生成する蒸気は、少なくとも部分的に塔内に放出され、好ましくは塔の液溜めの上方の容積部分に放出される。液溜め留分が、最初に、ストリッパーで生じる抽出剤留分によって加熱され、次いで外部熱媒体によって加熱される、という二重伝熱を採用することで、再生した抽出剤留分の熱エネルギーが最適に利用されるものである。この外部熱媒体が送達するエネルギーは、再生抽出剤留分を用いて加熱することにより達成される温度レベルから所望の値の温度まで、液溜め温度を上昇させるために必要とされるエネルギーのみである。また、液体留分は、収集トレイ上に集め、第１の間接熱交換器で加熱し、部分的に蒸発させる。塔内の液溜め温度と比較して内部の材料流の温度が低いため、中間加熱については、低温レベルの熱エネルギーを使用することができる。本発明によれば、部分的に冷却した抽出剤留分を第１の熱交換器のための熱媒体として使用することができる。
Ａ及びＢを含む原料流は、塔中の抽出剤に向かって導かれる。このＡ及びＢを含む原料流は、塔の下部領域又は中央領域に導入される。抽出剤は、塔の頂上部又は上部領域に導入される。この抽出剤は液体状態で塔内に導入される。原料流は蒸気状態又は液体状態で塔に導入することができる。
塔は、分離操作に効果のある内部構造体（インターナル）として、好ましくは、トレイ（棚段）、不規則な充填物及び／又は構造化された充填物を含む。また、塔は、例えば、Ａ及びＢを含む原料流の供給管の上方に位置する濃縮区域（ゾーン）と、原料流の供給管の下に位置するストリッピング区域（ゾーン）とを有することができる。
Ａを含む塔頂留分及びＢと抽出剤とを含む液体留分が得られる。
Ａを含む塔頂留分中では、物質量割合Ａ／（Ａ＋Ｂ）が、Ａ及びＢを含む原料流中に比べて、高く、好ましくは少なくとも１．３倍高く、特に少なくとも１．５倍高い。物質量割合Ａ／（Ａ＋Ｂ）は、物質Ａの量を物質Ａの量と物質Ｂの量との和で割って計算される。Ａを含む塔頂留分は塔頂部で塔から搬出される。
Ｂ及び抽出剤を含む液体留分は、収集トレイ上に集められる。この収集トレイは、塔の液溜め上方の塔内に、例えば液溜めとストリッピング区域との間に配置される。回収された液体留分は、第１の間接熱交換器で加熱され部分的に蒸発される。この第１の熱交換器は、好ましくは、塔の外側に配置される。液体留分は、収集トレイから取り出され、塔の外側に配置された熱交換器内に導かれる。
第１の熱交換器での加熱時に形成された蒸気は塔内に放出され、液体留分の蒸発しなかった部分は塔の液溜めに液溜め留分として回収される。一般に、生じた蒸気と液体留分の非蒸発部分とを含む、蒸発器から出る液体／蒸気混合相流は、収集トレイの真下の塔内に再循環される。また、生じた蒸気は、例えば相分離器内で、液体留分の非蒸発部分から分離することができ、両方の相は別々に塔の内部に導くことができる。
本発明に係る方法では、第１の熱交換器として、一の液体から別の液体へと熱を伝達するのに適した任意の型式の間接熱交換器を使用することができる。第１の熱交換器は、例えば、流下膜式蒸発器、ケトル蒸発器、強制循環蒸発器、又は自然循環蒸発器であることができる。好ましいのは、第１の熱交換器としては自然循環蒸発器である。
本発明に係る方法は、第１の熱交換器が、非常に低いボイルオフ率（boil-off rates）であっても、すなわち熱供給が低くても運転することができるものであり、さらに、自然循環蒸発器としても運転することができるのでポンプについて追加のコスト負担もエネルギー消費もない、という利点を有する。これは、第１の熱交換器とそれより更に上方に位置する収集トレイとの間に一般に存在する高低差、及び突出（projecting）液柱の静圧によるものである。その結果、たとえ低ボイルオフ率であっても（すなわち熱供給が低い場合であっても）、循環の停止という危険性もなく、第１の熱交換器内を連続的に通過することが保証される。好ましくは、第１の熱交換器は、第１の熱交換器から得られる液体留分の非蒸発部分が、収集トレイの下方で、好ましくは収集トレイの下０．１５ｍ〜０．７０ｍの範囲内、特に好ましくは収集トレイの下０．２０ｍ〜０．６０ｍの範囲内、非常に特に好ましくは収集トレイの下０．２５ｍ〜０．５０ｍの範囲内に生じるように、塔の外側で十分下方に配置される。例えば、第１の熱交換器は、液体留分の非蒸発部分のための出口、又は、生じる蒸気と液体留分の非蒸発部分とを含む液体／蒸気混合原料流のための出口が収集トレイの下方に、好ましくは収集トレイの下０．１５ｍ〜０．７０ｍの範囲内に、特に好ましくは収集トレイの下０．２０ｍ〜０．６０ｍの範囲内に、非常に特に好ましくは収集トレイの下の０．２５ｍ〜０．５０ｍの範囲内に位置するように、塔の外側で十分下方に配置することができる。この距離は、液体留分が到達する、収集トレイの最も低い点が上部平面にあり、蒸発器の出口の最も低い点が下部平面にある、これら２つの水平面の間の距離に関係している。第１の熱交換器は、過度に下方に取り付けないことが好ましい。その結果、これは、抽出蒸留塔の高さを増加させる必要がないという事実にも寄与する。これにより、一方ではコストとエネルギー消費量に関して最適化が、他方では塔の高さに関して最適化が達成される。
液溜め留分は、第２の間接熱交換器及び第３の間接熱交換器で連続的に加熱され、部分的に蒸発され、そこで得られた蒸気は少なくとも部分的に塔内に放出される。これは、当該蒸気を少なくとも部分的に液溜め内に、及び／又は、液溜めと収集トレイとの間の領域内に放出することによって行うことができる。
液溜め留分は、第２の熱交換器及び第３の熱交換器を通過するよう、後述する様々な方法で連続的に導くことができる。
液溜め留分の循環を行うことができる。これは、液溜め留分を連続的に第２の間接熱交換器及び第３の間接熱交換器を通過して導くよう液溜め循環を介して行うことができる。第２の間接熱交換器及び第３の間接熱交換器を通って連続的に１つの液溜め循環で液溜め留分の搬送が行われる場合、液溜め留分が第３の熱交換器に入る前には、第２の熱交換器で形成された蒸気が液溜め留分から分離されることはない。したがって、液体／蒸気混合相流は、第２の蒸発器から第３の熱交換器へと流入する。第３の熱交換器では、液溜め留分の更なる部分が蒸発される。
このように加熱された液溜め留分は、次いで、ストリッパーに供給する液溜め留分を液溜め循環から分離するために、分流器を通過するよう導くことができる。
第３の間接熱交換器の下流の液溜め留分は、塔と蒸気側で連通している隔室を通って導くことができ、その隔室では、生成する蒸気が液溜め留分から分離され、また、その隔室から、ストリッパーに供給すべき液溜め留分が取り出される。この隔室は、塔の液溜めに、又は塔の外側に配置した相分離器に統合することができる。
隔室が塔の液溜めに統合されている場合、隔室と塔との蒸気側での連通は、好ましくは、塔の液溜めの上方に位置する蒸気に向かって隔室が開放することで達成される。
隔室が塔の外側に配置された相分離器である場合、塔と隔室の蒸気側での連通は、好ましくは、配管を介して相分離器を塔に接続されることで達成でき、この配管を介して蒸気を相分離器から塔内へ逃がすことができる。当該配管は、液溜め内に集まる液溜め留分の表面の上方の塔内に開口していることが好ましい。
隔室から、この隔室を通って循環される液溜め留分が第３の間接熱交換器の下流に導かれ、液溜め留分の一部が塔の液溜めに再循環される。これは、隔室が塔の液溜めに統合されているときには、隔室を通って導かれた液溜め留分の一部が塔の（残りの）液溜めにオーバーフローして流入することが可能となることで達成できる。隔室が塔の外側に配置された相分離器である場合、オーバーフローに接続された配管を介して相分離器を塔に接続することで、液溜め留分の一部を隔室から塔の液溜め内に再循環させることができる。
第２の蒸発器からの液体／蒸気混合相の流れを伴う、第３の熱交換器へ流入する流れを均一な流れとすることは時には困難なことがあるので、液体／蒸気混合相流に対して中間のガス抜き操作が好ましい場合がある。例えば、液溜め留分は、塔と蒸気側で連通する３つの隔室を通るよう導くことができる。すなわち、この操作は、液溜め留分を第１の隔室内に収集し、第１の隔室から液溜め留分を取り出し、第２の熱交換器を通って第２の隔室内に導き、第２の隔室から液溜め留分を取り出し、第３の熱交換器を通って第３の隔室内に導き、さらに、第３の隔室からストリッパーに供給すべき液溜め留分を取り出すことで行う。これには、第２の熱交換器で形成された蒸気が、第３の熱交換器内に流入せず、塔と蒸気側で連通している隔室から出て塔内へ直接、抜けることができるという利点がある。次に、実質的に単相の液体の液溜め留分が第３の熱交換器に流入するが、この留分には、熱がより良好に伝達され得るものである。
第２の隔室及び第３の隔室は、互いに独立して塔の液溜めに統合されてもよく、又は塔の外側に配置された相分離器であってもよい。両方の相分離器は、互いに空間的に切り離して配置することができるし、あるいは、１つの容器内に配置することもできる。第２の隔室及び第３の隔室が塔の外側に配置された相分離器である場合には、塔の液溜めに統合された第１の隔室が塔の液溜めを形成する。
各隔室が塔の液溜めに統合され組み込まれている場合、隔室と塔との蒸気側での連通は、好ましくは、塔の液溜め上に位置する容積に対して、それぞれの隔室が開放されていることで達成される。
各相分離器が塔の外側に配置されている場合には、隔室と塔との蒸気側での連通は、配管を介して相分離器を塔に連結することにより達成することができる。この配管を介して蒸気は相分離器から塔内へ流れ込むことができる。あるいは、別法として、隔室と塔との蒸気側での連通は、配管を介して、一の相分離器を、別の配管を介して塔に接続されている別の相分離器に接続することでも達成することができる。なお、それぞれの配管は、液溜め内に集まる液溜め留分の表面上方の塔内に開口していることが好ましい。
液溜め留分の一部を上記の各隔室内に再循環させることができる。例えば、第２の隔室から第１の隔室へ、第３の隔室から第１の隔室へ、及び／又は、第３の隔室から第２の隔室へといった具合である。
例えば、液溜め留分の一部は、１つの相分離器又は任意で両方の相分離器から、例えばいずれの場合もオーバーフローを経由して塔内に導くことができる。このオーバーフローは、上記相分離器内又は塔内に配管を介して開口することができる。したがって、液溜め留分の一部は、第２の隔室から第１の隔室へ、第３の隔室から第１の隔室へ、及び／又は、第３の隔室から第２の隔室へオーバーフローすることが可能となる。
本発明に係る方法の実施形態では、３つの隔室が塔の液溜めに統合されている。
液溜め留分が、どのような方法で、第２の熱交換器及び第３の熱交換器を通って連続的に導かれるにかかわらず、塔の液溜めに統合された、いずれの隔室も、適切な液体不透過性の障壁によって、塔の残りの液溜めから、又は塔の液溜めに統合された１つ以上の他の隔室から分離することができる。
好適な液体不透過性障壁としては、隔壁、特に垂直隔壁がある。隔壁は金属で構成されたものが好ましい。隔壁は、特に、同心円筒として、又は塔断面で見て、円の半径又は円の弦に沿って配置される平面隔壁として、構成することができる。
好ましくは、液溜め留分の一部を、液体不透過性障壁を越えて、塔の液溜めに統合された隔室から塔の残りの液溜め内に、又は先の隔室内にオーバーフローさせることができる。
次いで、Ｂ及び抽出剤を含む液溜め留分を、ストリッパーで、Ｂを含む留分と抽出剤を含む留分とに分離する。この２つの留分に分離するために、ストリッパー、特にストリッパーの液溜めを加熱する。ストリッパーは、例えば、液溜め循環により加熱することができる。その液溜め循環は、例えば、熱媒体として蒸気を利用する熱交換器を用いて加熱することができる。ストリッパー中で２つの留分に分離する操作は、ストリップピング及び／又は減圧することによって促進することができる。
好ましくは、Ｂを含む留分の除去はストリッパーの頂上部で行われる。Ｂを含む留分中における、物質量割合Ｂ／（Ａ＋Ｂ）は、Ａ及びＢを含む原料流中よりも高く、好ましくは少なくとも１．３倍高く、特に少なくとも１．５倍高い。物質量割合Ｂ／（Ａ＋Ｂ）は、物質Ｂの量を、物質Ａの量と物質Ｂの量との総和で除して算出される。
再生された抽出剤留分はストリッパーの液溜めで取り出すことが好ましい。
再生された抽出媒体留分は第２の熱交換器用の熱媒体として使用され、そこで部分的に冷却された抽出剤留分が得られる。抽出剤留分から熱の一部が第２の熱交換器中で液溜め留分に移動するので、抽出剤留分の部分冷却が生じる。
好ましくは、第２の熱交換器の寸法は、第２の熱交換器から出る部分的に冷却された抽出剤留分の温度が、熱交換器から流出する液溜め留分の温度よりも、最大で３０Ｋ、例えば１〜２５Ｋ、特に２〜２０Ｋ、好ましくは３〜１５Ｋ高くなるように決められる。
第３の熱交換器には、外部熱媒体を使用する。外部熱媒体を使用して、所望の液溜め温度が調整される。第３の熱交換器に入る液溜め留分は、先行する第２の熱交換器により予熱される。したがって、所望の液溜め温度に調整するために追加的に供給する熱量が最小限に限定される。
本発明に係る方法では、第２又は第３の熱交換器として、ある液体から別の液体に熱を伝達するのに適した、いずれの型式の間接熱交換器をも使用することができる。この両方の熱交換器は、独立して、流下膜式蒸発器、ケトル蒸発器、強制循環蒸発器、又は自然循環蒸発器とすることができる。少なくとも第２又は第３の熱交換器は、自然循環蒸発器又は流下膜式蒸発器であることが好ましい。流下膜式蒸発器では、液溜め留分の滞留時間が特に短く、その結果、特に穏やかな加熱又は蒸発が保証される。したがって、特に熱感受性の抽出剤の場合には、好ましくは、流下膜式蒸発器が使用される。これは、特に第３の熱交換器にも当てはまる。第３の熱交換器に使用される外部熱媒体が、第１の熱交換器及び第２の熱交換器に使用される熱媒体よりも一般的に高温だからである。
部分的に冷却された抽出剤留分は、第１の熱交換器用の熱媒体として使用される。このために、第２の熱交換器から出る部分的に冷却された抽出剤留分が第１の熱交換器を通って導かれる。
第１の熱交換器から、冷却された抽出剤画分が得られる。第１の熱交換器の寸法に関しては、好ましくは、第１の熱交換器から出る冷却された抽出剤留分の温度が熱交換器から出る液体留分の非蒸発部分の温度よりも、最大で３０Ｋ、例えば１〜２５Ｋ、特に２〜２０Ｋ、好ましくは３〜１５Ｋ高くなるように、決められる。
抽出剤の循環路を閉じるために、第１の間接熱交換器から得られた冷却された抽出剤留分の少なくとも一部を工程ａ）に再循環させる。抽出蒸留塔に入る前に、冷却抽出剤留分を更に冷却することが好ましい。
Ａ及びＢは、蒸発可能で凝縮可能な材料又は可溶性の材料、すなわち液体又は溶解状態から気体状態に及びその逆に変換され得る材料である。
好ましくは、Ａ及びＢは、標準圧力、すなわち１０１３．２５ｈＰａでの沸騰温度の差が、例えば２５Ｋ以下、特に２０Ｋ以下、好ましくは１５Ｋ以下の材料、又は共沸混合物を形成する材料である。
Ａがブタンである場合、Ａは１種以上の異性体、例えば各種のブタン異性体を含むことができる。
Ｂがブテン、ブタジエン又はそれらの混合物である場合、Ｂは１種以上の異性体、例えば各種のブテン異性体を含むことができる。
本発明に係る方法は、
ｉ．Ａがブタンであり、Ｂがブテン、ブタジエン又はそれらの混合物であり、又は
ｉｉ．Ａがペンタンであり、Ｂがペンテン、イソプレン又はそれらの混合物であり、又は
ｉｉｉ．Ａがヘキサンであり、Ｂがベンゼンであり、又は
ｉｖ．Ａが２−プロパノールであり、Ｂが水であり、又は
ｖ．Ａが塩化水素であり、Ｂが水であり、又は
ｖｉ．Ａがアセトニトリルであり、Ｂが水であり、又は
ｖｉｉ．Ａが２−ブチルアセテートであり、Ｂが２−ブタノールであり、又は
ｖｉｉｉ．Ａがテトラヒドロフランであり、Ｂがメタノールであり、又は
ｉｘ．Ａがアセトンであり、Ｂがクロロホルムであり、又は
ｘ．Ａがエタノールであり、Ｂが水であり、又は
ｘｉ．Ａがアセトンであり、Ｂがメタノールであり、又は
ｘｉｉ．Ａがエタノールと水の混合物であり、Ｂが酢酸エチルである、
方法とすることができる。
本発明に係る方法では、抽出剤は、Ａに対する親和性よりもＢに対する親和性が高い。すなわち、抽出剤は、ＡよりもＢと強い相互作用を形成する。抽出剤のＡ及びＢに対する親和性は、例えば、当業者が抽出剤中のＡ又はＢの溶解度を測定することで決定してもよい。例えば、当業者は、Ａの雰囲気下で及びＢの雰囲気下で、抽出剤のそれぞれ１つのアリコートを撹拌し、Ａ又はＢが抽出剤にどれだけ溶解したかを測定することができる。
一般に、標準条件下での抽出剤の沸騰温度は、標準条件下での物質Ａ及びＢ両方の沸騰温度よりも少なくとも４０Ｋ、特に少なくとも５０Ｋ、好ましくは少なくとも６０Ｋ、特に好ましくは少なくとも８０Ｋだけ高い。
上記ｉ〜ｘｉｉｉで列挙した材料Ａ及びＢに応じて、一部、異なる抽出剤が好適であり、好適な抽出剤は、
ｉ．の場合、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン、アセトニトリル、フルフラール及びジメチルスルホキシドから選択され、
ｉｉ．の場合、ジメチルホルムアミド及びＮ−メチルピロリドンから選択され、
ｉｉｉ．の場合、フェノール、Ｎ−メチルピロリドン及びＮ−ホルミルモルホリンから選択され、
ｉｖ．の場合、水中の塩化カルシウムの溶液であるか、又はジメチルスルホキシド及びエチレングリコールから選択され、
ｖ．の場合、硫酸であり、
ｖｉ．の場合、エチレングリコールであり、
ｖｉｉ．の場合、Ｎ、Ｎ−ジメチルアセトアミドであり、
ｖｉｉｉ．の場合、水であり、
ｉｘ．の場合、ジメチルスルホキシドであり、
ｘ．の場合、エチレングリコール、グリセロール及びジメチルスルホキシドから選択され、
ｘｉ．の場合、水であり、
ｘｉｉ．の場合、ジメチルスルホキシド、グリセロール及びジエチレングリコール、１−ナフトール、ヒドロキノン及びジメチルホルムアミドから選択される。
本発明に係る方法の特に好ましい実施形態においては、Ａはブタンであり、Ｂはブテン、ブタジエン又はそれらの混合物であり、抽出剤はＮ−メチルピロリドンを含む。好ましくは、原料流は、ブタン、ブテン及び／又はブタジエン、Ｎ−メチルピロリドン及び水を含むものであり、抽出剤は８０〜９７質量％のＮ−メチルピロリドン及び３〜２０質量％の水を含む。
ブタン、ブテン及びブタジエンを含有する原料流は、例えば、ｎ−ブタンの接触脱水素反応によって得られる。この反応は、非酸化的接触脱水素反応、又は酸化的接触脱水素反応とすることが可能である。生じる混合物には、ブタン、ブタン及びブタジエンに加えて、一般に不活性ガス、例えば水素、窒素及び／又は二酸化炭素が含まれる。不活性ガスの分離は、ブテン及び／又はブタジエン、ブタン、水素及び／又は窒素、及び場合により二酸化炭素を含有する材料流を吸収媒体中で吸収させ、続いてブテン、ブタジエン及びブタンを脱着させることによって行うことができる。
一実施形態では、吸収媒体として、後の抽出蒸留で抽出剤として使用する溶媒又は溶媒混合物が使用される。吸収媒体としては、８０〜９７質量％のＮ−メチルピロリドン及び３〜２０質量％の水を含むことが好ましい。ブテン、ブタジエン及びブタンが充填された吸収媒体は、原料流として抽出蒸留に送られる。ブタン、ブテン及び／又はブタジエン及び水素及び／又は窒素を含む流体を吸収塔中の液体吸収媒体と接触させることにより、ブタン、ブテン及び／又はブタジエンを含む原料流を形成する。その流体は吸収塔の下部領域に導くことができ、また、吸収媒体は吸収塔の上部領域に導くことができる。ここで、水を含む塔頂流が吸収塔の頂部で得られ、原料流が吸収塔の液溜めから得られる。
吸収媒体及び抽出剤は、第１の間接熱交換器から得られた冷却した抽出剤留分を分割することによって形成することができる。例えば、これは、第１の間接熱交換器から出る抽出剤留分を分流器に通すことによるものであって、抽出剤留分が分流器で抽出剤流と吸収媒体流とに分割される。更なる冷却を、分流器の上流及び分流器の下流の両方で行うことができる。
本発明について、添付の図面により詳細に説明する。
図１に示す設備装置では、Ａ及びＢを含む原料供給流１が、塔３内に配管２を介して供給される抽出剤に向けて導入される。原料供給流１は濃縮区域４とストリッピング区域５との間の塔３の中に導かれ、また、抽出剤は濃縮区域４の上方の塔３の中に導入される。この場合、Ａを含む塔頂留分６及びＢ及び抽出剤を含む液体留分が得られる。この液体留分は収集トレイ７上に集められる。この液体留分は、配管８を介して第１の間接熱交換器９内へ導かれ、そこで加熱され、かつ、部分的に蒸発される。第１の熱交換器９では、得られる蒸気と液体留分の非蒸発部分とを含む二相混合物が形成する。この二相混合物は、配管１０を介して、液溜め（サンプ）と収集トレイ７との間に位置する塔３の領域に再循環される。蒸発しなかった液体留分は、塔３の液溜めに、液溜め留分１１として収集される。液溜め留分１１は、第２の間接熱交換器１３及び第３の間接熱交換器１４とで、連続的に加熱され部分蒸発される。この目的のために、液溜め循環により液溜め留分１１が循環される。この循環では、液溜め留分が配管１２を介して塔の液溜めから取り出され、連続的に第２の間接熱交換器１３及び第３の間接熱交換器１４を通るように、さらに配管１５を経由するように導かれる。配管３１を介して、循環する、液溜め留分の一部が、ストリッパー３２内に導かれ、そこでＢを含む留分３３と抽出剤留分とに分割され、留分３３はストリッパーの頂上部から排出される。ストリッパーの液溜めは液溜め循環路（３４，３５，３６）により加熱される。この液溜め循環路を介して抽出剤留分が、循環しており熱交換器３５により加熱される。抽出剤留分は、配管３７を介して第２の熱交換器１３を通るよう導かれ、第２の熱交換器に対する熱媒体として用いられる。この場合、部分的に冷却された抽出剤留分が得られる。第３の熱交換器１４に対しては、外部の熱媒体が使用される。部分的に冷却された抽出剤留分は、配管３８を介して第１の熱交換器９を通るよう導かれ、第１の熱交換器用の熱媒体として使用される。第１の熱交換器９から得られる冷却された抽出剤留分は、配管３９を介して冷却器４０に導かれ、これにより、第１の熱交換器から得られる冷却された抽出剤留分は、さらに冷却された後に回収され、配管２を介して供給されることとなる抽出剤を形成する。
図２〜図７に示した塔３の実施態様では、塔と蒸気側で連通している３つの隔室を通るように液溜め留分を導くといった操作が可能となる。すなわち、塔の液溜めに統合された第１の隔室に液溜め留分を集め、第１の隔室から液溜め留分を取り出し、第２の熱交換器を通って第２の隔室に導き、第２の隔室から液溜め留分を取り出し、第３の熱交換器を通って第３の隔室に導き、第３の隔室から、ストリッパーに供給する液溜め留分を取り出すことができる。
図２に示す塔３の実施形態では、３つの隔室の全てが当該塔の液溜めに統合されている。第１の隔室１６の上方に配管１０が開口している。液体留分に由来する、第１の熱交換器９で形成された二相混合物は、配管１０を介して、液溜めと第１の隔室１６の上方の収集トレイ７との間に位置する領域内に導かれる。このとき、液体留分の非蒸発部分が第１の隔室１６内に液溜め留分として集められ、生成した蒸気が塔３内に放出されるような態様で行われる。第１の隔室１６から液溜め留分が、配管１２を介して取り出され、第２の熱交換器１３を通り、配管１７を介して、液溜めと収集トレイとの間に位置する第２の隔室１８の上方の領域に導かれる。そのとき、液溜め留分の非蒸発部分が第２の隔室１８内に集まるように、さらに、生成した蒸気が塔３内に放出されるような態様で行われる。なお、隔壁２１によって、第１の隔室１６は第２の隔室１８から分離されている。第２の隔室１８から液溜め留分が、取り出され、第３の熱交換器１４を通り、さらに配管１９を介して、液溜めと収集トレイとの間に位置する第３の隔室２０の上方の領域に導かれる。そのとき、液溜め留分の非蒸発部分が第３の隔室２０に集まり、生成した蒸気が塔３内に放出されるような態様で行われる。なお、第２の隔室１８は、隔壁２２によって第３の隔室２０から分離されている。配管３１を介してストリッパーに供給される液溜め留分が、第３の隔室から取り出される。配管３１を介して取り出される量よりも多くの液溜め留分が配管１９を介して第３の隔室２０に供給されるときには、液溜め留分が第３の隔室２０から隔壁２２を越えて第２の隔室１８の方へオーバーフローすることができる。また、第２の隔室１８から取り出される量よりも多くの液溜め留分が第２の隔室１８へ配管１７を介して供給されるときには、液溜め留分が第２の隔室１８から隔壁２０を越えて第１の隔室１６の方へオーバーフローすることができる。
図２Ａ〜図２Ｃの断面図は、各々、塔の液溜めを３つの隔室１６，１８及び２０に分割するための分割用隔壁の好適な配置を示している。すなわち、図２Ａに同心円状の隔壁の配置、図２Ｂに円の弦形態の隔壁の配置、図２Ｃに円の半径形態の隔壁の配置を示す。
図３に示す塔３の実施形態では、第１の隔室１６及び第２の隔室１８は、塔の液溜めに統合されている。第３の隔室２０は相分離器であって、塔の外側に配置されている。配管１０は、第１の隔室１６の上方に開口している。第１の熱交換器９で液体留分から形成された二相混合物が、液溜めと収集トレイ７との間に位置する、第１の隔室１６の上方の領域内に、配管１０を介して導入される。そのとき、液体留分の非蒸発部分が第１の隔室１６内で液溜め留分として回収され、生成した蒸気が塔３内に放出されるような態様で行われる。第１の隔室１６から、液溜め留分が、配管１２を介して取り出され、第２の熱交換器１３を通り、配管１７を介して、液溜めと収集トレイとの間に位置する、第２の隔室１８の上方の領域に導かれる。このとき、液溜め留分の非蒸発部分が第２の隔室１８に集まるように、また、生成した蒸気が塔３内に放出されるような態様で行われる。なお、第１の隔室１６は、隔壁２１によって第２の隔室１８から分離されている。第２の隔室１８から液溜め留分が取り出され、第３の熱交換器１４を通って配管１９を介して相分離器に導かれる。相分離器は、配管２４内に開口するオーバーフローを有する。このオーバーフローを介して、液溜め留分が相分離器から第２の隔室１８内に溢流することができる。相分離器に導入されたオーバーフローは、沈んでいる配管２４を介して、この場合は、塔内に供給され、サイフォンのように作用し、配管１９が配管３１よりも多くの液体を導く場合には、相分離器が空になるのを防止する。相分離器内に集まる蒸気は、配管２３を介して塔内に放出される。配管３１を介してストリッパーに供給される液溜め留分は相分離器から取り出される。
図４に示す塔３の実施形態では、第２の隔室１８及び第３の隔室２０は、それぞれ、相分離器であり塔の外側に配置されている。液体留分の非蒸発部分は、塔の液溜めに統合されている第１の隔室１６内に液溜め留分として収集される。第１の隔室１６から液溜め留分は、配管１２を介して取り出され、第２の熱交換器１３を通って配管１７を介して相分離器１８に導かれる。その液溜め留分は、相分離器から取り出され、第３の熱交換器１４を通って導かれ、配管１９を介して相分離器２０内に流入する。これらの相分離器は、それぞれ、オーバーフローを有し、これを介して、液溜め留分は、配管２６を介して相分離器１８から第１の隔室１６へ、さらには配管２４を介して第１の分離器２０から相分離器１８内に溢流することができる。各相分離器内で収集される蒸気は、配管２３及び２５を介して塔内に放出される。配管３１を介してストリッパーに供給される液溜め留分は、相分離器２０から取り出される。
図５に示す塔３の実施形態では、第２の隔室１８及び第３の隔室２０は、それぞれ、塔の外側に配置された相分離器である。第２及び第３の熱交換器１３及び１４は、相分離器１８及び２０の上側領域に組み込まれている。第１の隔室１６から配管１２を介して、液溜め留分が、取り出され、相分離器１８に導かれ、そこで第２の熱交換器１３を通る。さらに、第２の隔室１８から、液溜め留分が、取り出され相分離器２０に導かれ、そこで第３の熱交換器１４を通って流れる。両方の熱交換器は、流下膜式蒸発器であり、液溜め留分がその頂上部からその底部へと流れる。配管２５を介して、液溜め留分が相分離器２０から相分離器１８に導かれる。相分離器１８から取り出される液溜め留分は、配管２６を介して第１の隔室１６内へ導かれる。相分離器１８内で収集される蒸気は、配管２５を介して塔内へ放出される。相分離器２０内で収集される蒸気は、配管２５を介して相分離器１８内に導かれる。相分離器２０から液溜め留分を取り出し、配管３１を介してストリッパーに供給する。
図６に示す塔３の実施形態では、第２の隔室１８及び第３隔室２０は、それぞれ、相分離器であり塔の外側に配置されている。塔の液溜めに統合された第１の隔室１６内に、液体留分の非蒸発部分が液溜め留分として収集される。配管１２を介して第１の隔室１６から液溜め留分が、取り出され第２の熱交換器１３を通り、配管１７を介して相分離器１８内に導かれる。液溜め留分は、第２の隔室１８から取り出され、第３の熱交換器１４を通過し、配管１９を介して相分離器２０に入る。相分離器２０はオーバーフローを有し、これにより液溜め留分が配管２４を介して第１の隔室１６に溢れ出ることができる。各相分離器内に集まる各蒸気は、配管２３及び２５を介して塔内に導入される。相分離器２０から液溜め留分が、取り出され、配管３１を介してストリッパーに供給される。
図７に示す塔３の実施形態では、第１の隔室１６及び第３の隔室２０は塔の液溜めに統合されている。第２の隔室１８は、塔の外側に配置された相分離器である。第１の熱交換器９で液体留分から形成された二相混合物は、配管１０を介して、液溜めと収集トレイ７との間に位置する、第１の隔室１６の上方の領域に導かれ、このときの態様としては、液体留分の非蒸発部分が第１の隔室１６内で液溜め留分として収集され、また、生成する蒸気が塔３内に放出される。第１の隔室１６から配管１２を介して液溜め留分が、取り出され、第２の熱交換器１３を通過して、配管１７を介して相分離器１８内へ導かれる。相分離器１８から液溜め留分が、取り出され、第３の熱交換器１４を通って配管１９を介して、液溜め及び収集トレイ７の間に位置する第３の隔室２０の上方の領域に導かれる。このとき、液溜め留分の蒸発していない部分が第３の隔室２０に集まるような態様で行う。相分離器内に集められた蒸気は、配管２５を介して塔内に放出される。第３の隔室２０から液溜め留分が、取り出され、配管３１を介してストリッパーに供給される。
図８及び図９に示す塔３の実施形態では、液溜め循環を用いて液溜め留分を循環させる操作が可能となる。この液溜め循環では、第２の間接熱交換器及び第３の間接熱交換器を連続的に通るよう液溜め留分が導かれ、また、循環した液溜め留分が、第３の間接熱交換器の後、塔の液溜めに統合され、それによって塔と蒸気側で連通している隔室を介して導かれる。
図８に示す塔３の実施形態では、二相混合物が、配管１０を介して、液溜めと収集トレイ７との間に位置する、塔３の領域内に誘導される。このとき、液体留分の蒸発しなかった部分は液溜め留分１１として収集し、また、生成した蒸気は塔３内に放出されるような態様で行う。液溜め留分１１は、液溜め循環を介して循環される。この循環では、液溜め留分が、塔の液溜めから配管１２を経て取り出され、連続的に第２の間接熱交換器１３及び第３の間接熱交換器１４を通るよう導かれ、液溜めと収集トレイ７との間に位置する、隔室２９の上方の領域内に配管１５を経て流入する。このとき、液溜め留分の非蒸発部分は隔室２９内に収集されるような態様で行う。隔室２９から液溜め留分が、取り出され、配管３１を介してストリッパーに供給される。２つの熱交換器１３及び１４は、垂直方向に配向されたチューブバンドル型熱交換器であり、上下に配置されている。
図９に示す塔の実施形態は、２つの熱交換器１３及び１４が水平方向に配向されたチューブバンドル型熱交換器であって横並びに配置されている点で、図８に示す実施形態とは異なる。
１ 原料供給流
２、８、１０、１２、１５、１７、１９、２３、２４、２５、２６、３１、３７、３８、３９ 配管
４ 濃縮区域
５ ストリッピング区域
６ 塔頂留分
７ 収集トレイ
９ 第１の間接熱交換器
１１ 液溜め留分
１３ 第２の間接熱交換器
１４ 第３の間接熱交換器
１６ 第１の隔室
１８ 第２の隔室、相分離器
２０ 第３の隔室、相分離器
２２ 隔壁
３２ ストリッパー
３３ 留分
３５ 熱交換器
４０ 冷却器

Claims (11)

  1. 材料ＡよりもＢに対してより高い親和性を有する抽出剤を使用する、抽出蒸留によって材料Ａ及びＢの混合物を分離する方法であって、
    ａ）Ａ及びＢを含む原料流を塔中の抽出剤に向けて導き、ここで、Ａを含む塔頂留分、並びにＢ及び抽出剤を含む液体留分を得て、
    ｂ）液体留分を収集トレイ上に集め、第１の間接熱交換器で加熱し、部分的に蒸発させ、生成する蒸気を塔内に放出させ、液体留分の非蒸発部分を液溜め留分として塔の液溜めに集め、
    ｃ）液溜め留分を、第２の間接熱交換器及び第３の間接熱交換器で連続的に加熱し、部分的に蒸発させ、ここで、得られる蒸気は少なくとも部分的に塔内に放出させ、
    ｄ）液溜め留分を、ストリッパーでＢを含む留分と抽出剤留分とに分離し、
    ｅ）抽出剤留分を第２の熱交換器用の熱媒体として使用し、ここで、部分的に冷却された抽出剤留分を得て、及び、外部熱媒体を第３の熱交換器に使用し、及び
    ｆ）部分的に冷却された抽出剤留分を第１の熱交換器用の熱媒体として使用することを含み、
    工程ｂ）において使用される収集トレイは、塔の１つの高さレベルにのみ配置されており、
    前記液溜め留分を液溜め循環を介して循環させ、ここで、液溜め留分を第２の間接熱交換器及び第３の間接熱交換器に連続的に導くことを特徴とする方法。
  2. 第３の間接熱交換器の下流にある、循環させた液溜め留分は、塔と蒸気側で連通する隔室を通って導かれ、隔室では、生成する蒸気を液溜め留分から分離し、また、隔室から、ストリッパーに供給する液溜め留分を取り出す、請求項１に記載の方法。
  3. 前記隔室が塔の液溜めに統合されているか、又は相分離器が塔の外側に配置されている、請求項２に記載の方法。
  4. 前記液溜め留分を、塔と蒸気側で連通している３つの隔室を通って導くものであり、塔の液溜めに統合された第１の隔室に前記液溜め留分を収集し、第１の隔室から液溜め留分を取り出し、第２の熱交換器を通って第２の隔室内に導き、第２の隔室から液溜め留分を取り出し、第３の熱交換器を通して第３の隔室内に導入し、第３の隔室から、ストリッパーに供給する液溜め留分を取り出す、請求項１に記載の方法。
  5. 前記３つの隔室が、第１の隔室１６、第２の隔室１８及び第３の隔室２０として塔の液溜めに統合されている、請求項４に記載の方法。
  6. 前記第３の隔室が、塔の外側に配置された相分離器である、請求項４に記載の方法。
  7. 前記第２の隔室が、塔の外側に配置された相分離器である、請求項４又は６に記載の方法。
  8. 前記第１の熱交換器が自然循環蒸発器である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. ｉ．Ａがブタンであり、Ｂがブテン、ブタジエン又はそれらの混合物であり、又は
    ｉｉ．Ａがペンタンであり、Ｂがペンテン、イソプレン又はそれらの混合物であり、又は
    ｉｉｉ．Ａがヘキサンであり、Ｂがベンゼンであり、又は
    ｉｖ．Ａが２−プロパノールであり、Ｂが水であり、又は
    ｖ．Ａが塩化水素であり、Ｂが水であり、又は
    ｖｉ．Ａがアセトニトリルであり、Ｂが水であり、又は
    ｖｉｉ．Ａが２−ブチルアセテートであり、Ｂが２−ブタノールであり、又は
    ｖｉｉｉ．Ａがテトラヒドロフランであり、Ｂがメタノールであり、又は
    ｉｘ．Ａがアセトンであり、Ｂがクロロホルムであり、又は
    ｘ．Ａがエタノールであり、Ｂが水であり、又は
    ｘｉ．Ａがアセトンであり、Ｂがメタノールであり、又は
    ｘｉｉ．Ａがエタノールと水の混合物であり、Ｂが酢酸エチルである、
    請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 抽出剤が、
    ｉ．の場合、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン、アセトニトリル、フルフラール及びジメチルスルホキシドから選択され、
    ｉｉ．の場合、ジメチルホルムアミド及びＮ−メチルピロリドンから選択され、
    ｉｉｉ．の場合、フェノール、Ｎ−メチルピロリドン及びＮ−ホルミルモルホリンから選択され、
    ｉｖ．の場合、水中の塩化カルシウムの溶液であるか、又はジメチルスルホキシド及びエチレングリコールから選択され、
    ｖ．の場合、硫酸であり、
    ｖｉ．の場合、エチレングリコールであり、
    ｖｉｉ．の場合、Ｎ、Ｎ−ジメチルアセトアミドであり、
    ｖｉｉｉ．の場合、水であり、
    ｉｘ．の場合、ジメチルスルホキシドであり、
    ｘ．の場合、エチレングリコール、グリセロール及びジメチルスルホキシドから選択され、
    ｘｉ．の場合、水であり、
    ｘｉｉ．の場合、ジメチルスルホキシド、グリセロール及びジエチレングリコール、１−ナフトール、ヒドロキノン及びジメチルホルムアミドから選択される、
    請求項９に記載の方法。
  11. Ａがブタンであり、Ｂがブテン、ブタジエン又はそれらの混合物であり、抽出剤がＮ−メチルピロリドンを含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
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