JPS63104603A - 吸湿性化合物水溶液の濃縮方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は硫酸などの如き吸湿性の強い化合物と水とから
なる溶液の真空濃縮方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に硫酸や燐酸などの強酸、苛性ソーダや苛性カリな
どの強アルカリ、あるいは各種金属の塩化物、硝酸塩な
どのうちで、吸湿性の強い化合物等と水との混合物（以
下水溶液と称する）は脱水濃縮が困難で、多大のエネル
ギーを要する場合が多く、かつ腐食性も強いという問題
がある。

これら水溶液の濃縮方法としては、スプレータワーや液
中燃焼等の如く、高温ガスと水溶液が直接接触する方法
と、直接蒸煮によるもの、多重効用缶によるもの、流下
液膜法によるもの、あるいはフラッシュ蒸発によるもの
の如く、主に伝熱面を介して間接加熱を行う方法があり
、これらは情況に応じて適宜使用される。この際水分の
含有量が減少するに従って、水溶液の沸点上昇が著しく
なり、濃縮に高温を要するようになる。このため腐食な
ど材質上や、エネルギーの有効利用の問題などの点から
温度を下げるべく、濃縮操作は減圧下に行われることが
多くなる。

今、例を硫酸の濃縮に採って従来法について説明すると
、次のようなものがある。

（１）　　直火によるもの、ポーリング（Ｐａｕｌｉｎ
ｇ　　）式硫酸濃縮法、カスケード式硫酸濃縮法などが
あるが、鋳鉄あるいは珪素鉄製の煮詰容器に材質的な問
題があり、長期の連続運転に耐えず、また熱効率も低い
とされている。

（′２Ｊ　　酸液と高温ガスが直接接触するもの、比較
的低濃度までの濃縮に適するものとして液中燃焼による
もの、高濃度用としてケミコ式ドラム型硫酸濃縮法がよ
く知られている。これらはほぼ大気圧近くで操作され熱
の利用効率も高いが、霧状の硫酸ミストが発生しやすく
、その除害に多大の設備と費用を要する。

（３）真空法、これは上記（２）と異なり、間接加熱で
あり、シモンソン、マンチウス（Ｓｉｍｏｎｓｏｎ　−
Ｍａｎｔｉｕｓ　　）真空法あるいは頭文字をとって８
Ｍ式硫酸濃縮法として知られている方法である。

水洗は予備的な濃縮缶を除けばメインは前後２部の濃縮
缶からなり、前部で大兄５０〜７０簡Ｈｇの圧力下、８
０数係程度の硫酸となし、後部で５〜１０簡Ｈｇの圧力
下８５〜９３％の濃硫酸を得るものである。これらの場
合、温度はいずれも１７０℃以下の低温に保持される。

従って熱硫酸による有機物の分解、硫酸自身の分解、装
置の腐食等は大いに軽減される。しかして各缶の真空度
はいずれもスチームエジェクターと大気脚凝縮器によっ
て保持され、高真空側にはスチームブースターが付加さ
れる。

このうち上記のＳＭ法を多少変形した従来法による硫酸
濃縮法を図知よって説明する。

第２図において原料の稀硫酸は管路１１を通って前濃縮
缶Ｆｉｌに送られる。缶液はポンプｐＨによって循環さ
れ、熱交換器Ｈ１ｌにより加熱される。

缶内はスチームエジェクターＥ１２、Ｅ１３及び凝縮器
Ｃ１ｌ、Ｃ１２、Ｃ１３並びに大気脚（図示せず）によ
って真空に保たれる。その圧力は蒸発のみの観点からは
低い方が好ましいが、大気脚を用いる関係上水の蒸気圧
と一般の冷却水水温とにより制限されるので、通常６０
　Ｔｏｒｒ　（水温４１．５℃の蒸気圧）前後に抑えら
れることが多い。蒸発した水分は濃縮缶Ｆｉｌの上部か
ら管部１４により排出され、前記の各スチームエジェク
ター及び凝縮器の作用で吸引凝縮され、大気脚下端から
排出される。一方前段の濃縮を受けた硫酸水溶液は管路
１２を経て次の高度濃縮缶Ｆ１２でさらに高真空下にお
いて蒸発濃縮される。ここでも缶液はポンプＰ１２によ
りスチーム加熱の熱交換器Ｈ１２を通って加熱循環され
る。高度濃縮缶Ｆ１２の真空はスチームエジェクターＥ
ｌｌと、大量のスチームを使用するスチームブースター
Ｅ１４によって常温において水の凝縮し難い高真空、例
えば１〜ｌ　ＯＴｏｒｒに保たれる。スチームブースタ
ーＥ１４は大量の水蒸気を吸引し、かつ大気脚の使用で
きる圧力まで圧縮するので多量の駆動用水蒸気を必要と
する。ここでの温度は最終製品の濃度、蒸気分圧、高温
度での腐食性のほか、物によっては融点とか結晶析出の
有無等によって決定されるが、溶質が硫酸の場合、特に
高級な材質を用いないときは最高１７０℃程度、通常１
３０〜１５０℃である。

蒸発した水蒸気は管路１５を経てスチームエジェクター
Ｅｌｌによって全量が吸引され、さらにスチームブース
ターＥ１４により全量が吸引圧縮され凝縮器Ｃ１ｌで凝
縮し、前濃縮缶Ｆｌｌからの水分と一緒に混合して大気
脚端から排出される。各濃縮缶では水蒸気に同伴して多
少のミストが発生し、溶質の損失が起きるが、これは凝
縮器Ｃ１ｌで大量の凝縮水によって希釈されてしまうの
で回収されることは少ない。特に硫酸の場合、濃度８５
係以上では硫酸の蒸気圧も無視し難くなり、損失は濃度
の上昇と共に急激に増大する。例えば９３係硫酸の場合
蒸発蒸気中の２３重量係にも達する。

従って濃縮を微分的に行わせるため、濃縮缶内を仕切っ
て多段とすることもよく行われる手段であるが、いずれ
にしても従来の方式では蒸気に同伴する溶質は損失とな
る場合が多く、凝縮液に溶は込んで希薄化した酸液等は
公害防止上中和等の除害処理を要することになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の真空法による濃縮法においては大気脚凝縮器の利
用ができない高真空発生の必要上、スチームエジェクタ
ーならびにブースターによって使用される水蒸気原単位
が極めて大きいこと、蒸発缶の高濃度部で発生するミス
ト、あるいは蒸発によって水蒸気に同伴する溶質部分の
有効な回収手段を欠き、かつ何等かの後処理を要するこ
となどの問題点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記のような問題点を解決しようとするもので
あって、吸湿性の化合物の水溶液を真空濃縮して高濃度
とする際に、真空濃縮によって発生する水蒸気を、その
水蒸気分圧よりも低い水蒸気分圧を有する同じ化合物の
水溶液と接触せしめて吸収除去し、−力吸収液は別途所
定の濃度まで濃縮後、上記の真空濃縮に付することを特
徴とするものである。

本発明を図によって詳細に説明する。第１図は本発明の
一実施態様である。吸湿性化合物の水溶液として原料希
硫酸は管路１を通って吸収冷却器Ｃ４において高度濃縮
器Ｆ２で発生する蒸気を吸収し、所定の濃度と温度まで
希釈冷却されて管路１を経て必要に応じて貯槽Ｔ１に貯
蔵される。この水溶液はポンプＰ３によって管路１を経
て前濃縮器Ｆ１に送られる。缶液はポンプＰ１によって
循環され、熱交換器Ｈ１により、所定の温度にスチーム
加熱される。缶Ｆ２内はスチームエジェクターＥ２、Ｅ
３と、凝縮器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ならびに大気脚（図示せ
ず）によって真空に保たれる。

蒸発した水分は濃縮器Ｆ１の上部から管路４により排出
され、前記の各スチームエジェクターおよび凝縮器の作
用で吸引凝縮され、大気脚下端から排出される。−男前
濃縮を受けた硫酸水溶液は管路２を経て、次の高度濃縮
器Ｆ２でさらに高真空下において蒸発濃縮される。ここ
でも缶液はポンプＰ２により熱交換器Ｈ２を通って循環
、スチーム加熱される。高度濃縮器Ｆ２の真空はスチー
ムエジェクターＥ１とスチームブースターＥ４によって
高真空に保たれるが、従来法と全く異なり、高度濃縮器
Ｆ２から発生する水蒸気は管路５を経て吸収冷却器Ｃ４
に送られ、同時に同所に送られる原料希硫酸中に吸収混
合冷却されて殆ど全部が管路１．１を経て低真空の前濃
縮器Ｆ１に送られ、そこで水蒸気が発生し管路４より排
出される。この際管路１′をいわゆるバロメトリックレ
ッグとすることは理にかなっている。従って吸収冷却器
Ｃ４に送られる原料希硫酸の濃度は、濃縮器Ｆ２で発生
する水蒸気の大部分を吸収後の硫酸水溶液の水蒸気分圧
が濃縮器Ｆ２の圧力と少なくとも同じか、低くなる程度
を要する。この混合後の許容濃度は吸収冷却器に用いら
れる冷却水の水温によっても支配されるが、常温付近で
４０〜７０４の濃度であれば充分といえる。もし原料希
硫酸の濃度が、この濃度を確保するためには足りない場
合は、別途低濃度用の濃縮器を用いて濃縮した後に吸収
冷却液とするか、あるいは必要に応じて前濃縮器Ｆ１で
濃縮した硫酸の一部、あるいは高度濃縮器Ｆ２からの製
品の一部を原料希硫酸に混合して濃度を上げることも可
能である。なおここで使用する吸収冷却器は吸収と冷却
とを同時に行う型式のものでも、吸収と冷却とを別の場
所で行う方式の吸収塔と、その吸収液を別途熱交換器で
冷却循環する組合せの型式としてもよい。

〔作　用〕

水溶液を高濃度に濃縮する場合、従来法では高真空を維
持するためにスチームエジェクター、スチームブースタ
ーの直列２段（第２図Ｅｌｌ、Ｅ１４）、あるいは少な
くともスチームブースター１段を用いる真空発生器を使
用して、これによって濃縮時に発生する蒸気を全量系か
ら排除する必要があった。これは水の蒸気圧が常温付近
で１０〜数十Ｔｏｒｒあり、通常用いる大気脚凝縮器が
３０　Ｔｏｒｒ程度以下の高真空には経済的に使用でき
ないことによる（微量のイナートガスを除くため大気脚
後にスチームエジェクターを要することもある）。この
ためスチームブースターで吸引する水蒸気を全量吸引後
、圧縮して大気脚凝縮器の使用できる圧力（約３０　Ｔ
ｏｒｒ以上）まで高める必要があった。

本発明はこのスチームブースターで使用する水蒸気原単
位を人情に減するものである。すなわち本発明において
は高濃度用の濃縮缶Ｆ２で発生する水蒸気をスチームエ
ジェクターＥ１およびスチームブースターＥ４によって
全量吸引することはせず、単に高真空を維持させるに必
要な最低限度にとどめ、残りの殆ど全部の水蒸気は高真
空下に所要の濃度の水溶液と吸収混合させることによっ
て真空度を維持させるものである。かくすることによっ
てここで使用するスチームの量Ｙ１００倍以上も節約で
きる（１／１００以下にできる）。

さらに特に濃度が上ってくると溶質自身の蒸気圧の増大
、あるいは飛沫同伴の増加等によって系外へ吸引排出さ
れ損失となる溶質は増加する傾向にある。第２図の従来
法によれば明らかに高度濃縮缶Ｆ２で発生する溶質蒸気
、あるいは溶質を含む飛沫同伴は全て吸引排除され、大
部分凝縮器Ｃ１を経て大気脚下から希薄水溶液となって
系外に排出されるΩでその回収は困難である。本発明の
場合、第１図から明らかな通り管路５を通る溶質蒸気あ
るいは飛沫同伴の大部分は吸収冷却器ｃ４で捕捉され、
貯槽Ｔ１へ回収され、次いで循環利用されるのであるか
ら、損失となる量は従来法と比較して無視し得ることは
明らかである。

なお高度濃縮缶Ｆ２へ送る水溶液の濃度は、そこでの蒸
発温度における水蒸気圧がスチームブースターを使用せ
ざるを得ないような濃度、すなわち大気脚凝縮器のみの
使用では凝縮し難くなるような程度の濃度以上のもので
なくては効果がない。

この濃度は例えば硫酸においてはその濃縮缶の耐食性あ
るいは通常の安価な低圧スチームによる加熱限界等から
、経済的に好ましいとされている温度、例えば約１５０
℃の場合で８５重ｆ％（以下単に８５係と略す、以下同
様）８度である。８５係硫酸の１５０℃における水蒸気
圧は約５５　Ｔｏｒｒであり、５５　Ｔｏｒｒは４０℃
の水蒸気圧に相当するう夏期は冷却水温が４０℃近くに
なることがあり、これ、以下に大気脚上の圧を下げるこ
とが困難な場合を生じる。従って高度濃縮缶へ入る際の
硫酸濃度には８５係以下という制約があることがわかる
。

高度濃縮缶における濃縮度の上限は理論的には最高共沸
組成である９８係であるが、経済的に濃縮を行える限界
は硫酸の蒸気圧、沸点上昇からして９６係程度である。

また高度濃縮缶から出る蒸気と混合すべき水溶液の濃度
は吸収冷却器の水温付近の温度で濃縮缶からの発生蒸気
を吸収後の混合水溶液の蒸気圧が、高度濃縮缶内の水蒸
気圧と等しいか、それ以下となるような濃度であること
を要する。これは硫酸の場合、９５循硫酸（１７０℃、
ＰＨ，Ｏ＝　１０．３ｗＨｇ）を得るものとして、例え
ば６０％硫酸（４０℃、ＰＨ２０＝　９．８５　ｗｘＨ
ｇ　）、４０％硫酸（２０℃、ＰＨ２０＝　９．９５　
ｍＨｇ　）等種々ノ選択ヲナシ得ルコとが明らかである
。

高度濃縮缶の温度が低く、かつ濃度が高い程、吸収冷却
に要する希薄溶液の濃度は高く、温度は低くすることが
必要となる。原料水溶液濃度が上記の要求に対して低す
ぎる場合は当然予備的な濃縮操作は行われるので、適当
な濃度になった水溶液を本発明の吸収冷却液とすること
、あるいは途中の濃縮度の水溶液の一部、例えば前濃縮
缶の中開裂品の一部を、もしくは必要に応じて製品の一
部を希薄原料水溶液と混合することによって吸収冷却に
必要な濃度に高めて用いてもよいことは明らかであり、
本発明はこのような場合をも包含するものである。

以上本発明を硫酸水溶液の濃縮の場合について説明した
が、それ以外、例えば燐酸や苛性アルカリ等吸湿性の無
機化合物についても適用可能であることは明らかであり
、かつ溶質は必ずしも純粋であることを要せず、有機、
無機の不純物の多少の混入は許容し得るものであり、こ
れらをすべて本発明は包含する。

〔実施例〕

第１図本発明方法、第２図従来法について各図示の部位
における温度、圧力、濃度、流量等を第１表に示す。

〔発明の効果〕

本発明によれば加熱蒸発用のスチーム使用量は従来法の
４５０　ｋｆ／ｈｒから６８０１ｗ／ｈｒ　と若干増加
スるものの、ブースター用スチームを含めたエジェクタ
ー用スチームが１１９０ｋｌ！／ｈ　ｒから２０ｋｉｂ
ｒと大幅に減少するため、全体のスチーム使用量は１６
４０１＃／ｌｏｎ硫酸から７００　ｋｖ／ｌｏｎ硫酸へ
と著しく減少した。すなわち蒸気原単位の大幅な改善を
なし得る。

高度濃縮缶から出る水蒸気は９２％硫酸では１３重量係
の硫酸蒸気分圧をもち、かつ多少の飛沫同伴を含み、そ
れらは従来法の場合すべて希薄な硫酸水溶液となるから
回収は困難で中和等の除害処理を要するが（第１表の従
来法では硫酸の約２幅が損失となっている）、本発明で
はこれら蒸気等の大部分は原料酸に吸収されて循環濃縮
されるので殆ど損失とならない。従って除害のための負
荷は著しく軽減される、 このように本発明は省エネルギーのみならず、公害防止
上も極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である硫酸濃縮の場合の７０−
シート、第２図は従来法の硫酸濃縮のフローシートであ
る。 １．１．１．２．３．４．５．６．１１．１２．１３．
１４．１５・・・・・・・・・管路 Ｆｌ・・・・・・前濃縮臼　　　　Ｆ２・・・・・・高
度濃縮缶Ｈ１、Ｈ２，Ｈｌｌ　、　ＨＩ３・・・・・・
溶液加熱用熱交換器Ｅｌ、Ｅ２．Ｅ３．Ｅｌｌ、Ｆ１２
．Ｆ１３・・・・・・スチームエジェクターＥ４．Ｅ１
４・・・・・・・・・スチームブースターＣ１，Ｃ２，
Ｃ３，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３・・・・・・凝縮器Ｃ４
・・・・・・吸収冷却器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）吸湿性の化合物の水溶液を真空濃縮して高濃度と
   する際に、真空濃縮によつて発生する水蒸気を、その水
   蒸気分圧よりも低い水蒸気分圧を有する同じ化合物の水
   溶液と接触せしめて吸収除去することを特徴とする吸湿
   性化合物水溶液の濃縮方法。
2. （２）吸湿性の化合物が硫酸であり、かつ濃縮濃度が８
   ５重量％以上の硫酸を製造するための真空濃縮器から発
   生する水蒸気を、４０重量％以上、好ましくは５５重量
   ％以上８５重量％以下の希薄硫酸と接触せしめて吸収す
   る特許請求の範囲第（１）項記載の濃縮方法。
3. （３）水蒸気と接触せしめて吸収した硫酸が別の濃縮手
   段により濃縮され、次いで真空濃縮器に送られて８５重
   量％以上の濃度の硫酸となる特許請求の範囲第（２）項
   記載の濃縮方法。