KR20130112920A

KR20130112920A - 혼합 액체의 분리 방법

Info

Publication number: KR20130112920A
Application number: KR1020137018032A
Authority: KR
Inventors: 마사시 오츠키; 사토루 오쿠무라; 다카히로 마사
Original assignee: 가부시키가이샤 브리지스톤
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-10-14
Also published as: WO2012081634A1; CN103370114B; KR101489614B1; JP2012125696A; EP2653202B1; EP2653202A4; JP5734637B2; US20130299336A1; CN103370114A; EP2653202A1

Abstract

본 발명은, 우수한 분리 정밀도를 갖고, 저에너지, 또한 고효율로 혼합 액체를 분리 가능한 혼합 액체의 분리 방법을 제공한다. 적어도 제1 액체와 상기 제1 액체와 비점이 상이한 제2 액체를 포함하는 혼합 액체로부터 한쪽 액체를 분리하는 혼합 액체의 분리 방법이며, 적어도 제1 액체 및 제2 액체 중 어느 한쪽의 비점보다 높은 온도의 가열 가스가 가열 가스 공급 수단으로부터 공급되고, 또한 적어도 기체를 배출하는 배출구를 갖는 용기 내에, 상기 혼합 액체를 분무하는 분무 수단으로부터 상기 혼합 액체를 분무하는 분무 공정과, 상기 용기 내에 분무된 상기 혼합 액체를 상기 가열 가스와 접촉시켜서 상기 제1 액체를 기화시키는 기화 공정과, 적어도 상기 기화 공정에서 기화된 상기 제1 액체를 포함하는 혼합 가스를 상기 용기의 배출구로부터 배출하는 배출 공정과, 상기 혼합 가스로부터 액체를 분리하는 분리 공정을 포함한다.

Description

혼합 액체의 분리 방법{SEPARATION METHOD FOR MIXED LIQUIDS}

본 발명은 혼합 액체의 분리에 사용되는 혼합 액체의 분리 방법에 관한 것이다.

종래, 혼합 액체로부터 한쪽 액체를 회수하기 위한 액-액 분리 방법으로는 증류나 침투막을 사용한 방법이 중심이었다. 그러나, 예를 들어 증류의 경우에는 가열면과 증발면이 상이하고, 또한 가열되는 액체 중에서 대류가 발생하는 등 에너지 손실이 있어, 가열 에너지로부터 증발 에너지로의 변환 효율이 우수하다고는 할 수 없다. 또한, 일반적으로 증류로 목적 물질을 분리하기 위해서는, 혼합 액체 중의 목적 물질의 농도가 10％ 정도인 것이 바람직하다. 또한 침투막을 사용한 목적 물질의 추출로는 고농도 용액을 얻는 것이 어렵고, 공정이 추가로 필요해진다. 이로 인해, 이들 액-액 분리 방법은, 에너지 단위량당 효율이 나쁘고, 시간을 필요로 하는 데다가, 분리 정밀도가 낮다는 등의 문제가 있었다. 또한, 더 큰 설비를 필요로 하는 경우도 많다는 등의 난점이 있었다.

중국 특허 출원 공개 제101224933호 명세서

예를 들어, 한쪽 액체에 대하여 다른 쪽의 액체가 극미량 포함되어 있는 경우, 상술한 문제에 더불어, 증류 등에 있어서는 분리 작업 자체가 곤란한 경우도 많다. 이러한 경우에, 예를 들어 나노 여과 부재 등을 사용하여, 농축·건조 등을 행하고, 농도 95 내지 99％ 정도의 이온 액체의 농축액을 회수하는 방법이 제안되어 있다(상기 특허문헌 1(중국 특허 출원 공개 제101224933호 명세서) 참조).

그러나, 이와 같은 회수 방법으로도 당초 이온 액체(제 1회째의 회수물)의 조성 질량 농도가 30％ 정도로 충분하지 않아, 보다 효율적으로 혼합 액체 중에서 소정의 액체를 회수할 수 있는 분리 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 우수한 분리 정밀도를 갖고, 저에너지, 또한 고효율로 혼합 액체를 분리 가능한 혼합 액체의 분리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은, 적어도 제1 액체와 상기 제1 액체보다 높은 비점을 갖는 제2 액체를 포함하는 혼합 액체로부터 한쪽 액체를 분리하는 혼합 액체의 분리 방법이며, 적어도 제1 액체 및 제2 액체 중 어느 한쪽의 비점보다 높은 온도의 가열 가스가 가열 가스 공급 수단으로부터 공급되고 또한 적어도 기체를 배출하는 배출구를 갖는 용기 내에, 상기 혼합 액체를 분무하는 분무 수단으로부터 상기 혼합 액체를 분무하는 분무 공정과, 상기 용기 내에 분무된 상기 혼합 액체를 상기 가열 가스와 접촉시켜서 적어도 상기 제1 액체를 기화시키는 기화 공정과, 적어도 상기 기화 공정에서 기화된 상기 제1 액체를 포함하는 혼합 가스를 상기 용기의 배출구로부터 배출하는 배출 공정과, 상기 혼합 가스로부터 상기 제2 액체를 분리하는 분리 공정을 포함한다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은, 상기 혼합 액체를 분무 수단에 의해 분무함으로써, 예를 들어 혼합 액체의 액적을 20㎛ 정도로 할 수 있다. 액적의 입경이 20㎛ 정도이면, 1리터의 액체로 환산했을 경우에는, 그 표면적은 대략 3000㎠ 정도가 된다. 이로 인해, 본 발명에 따르면, 분무 공정에 의해 액적화된 혼합 액체를, 용기 내에서 적어도 제1 액체 및 제2 액체 중 어느 한쪽의 비점보다 높은 가열 가스와 접촉시킴으로써 저에너지로, 또한 단시간에 적어도 제1 액체를 기화시킬 수 있다. 이에 의해, 분리 공정에 있어서 제1 액체와 제2 액체의 분리를 용이하게 행할 수 있다. 또한, 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법에 의하면, 분무 공정에 의해 혼합 액체를 액적화하기 때문에 액체의 함유량에 분리 효율이 의존하지 않고, 예를 들어 제1 액체 중에 극소량의 제2 액체가 포함되어 있는 경우에도, 높은 효율로 제2 액체를 회수할 수 있다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은, 상기 가열 가스 공급 수단에 있어서의 상기 가열 가스의 온도를, 상기 제1 액체의 비점보다 높고 또한 상기 제2 액체의 비점보다 낮아지도록 구성할 수 있다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법에 의하면, 분무 공정에 의해 액적화된 혼합 액체에, 제1 액체의 비점보다 높고 또한 제2 액체의 비점보다 낮은 온도의 가열 가스를 접촉시킴으로써 저에너지로, 또한 단시간에 제1 액체를 기화시키면서, 더욱 효율적으로 제1 액체와 제2 액체를 분리시킬 수 있다.

또한, 상기 용기의 배출구에 있어서의 혼합 가스의 온도(이하, 「출구 온도」라고 하는 경우가 있음)를, 상기 제1 액체를 기화된 상태로 유지할 수 있도록 설정할 수 있다. 이렇게 출구 온도를 설정함으로써, 상기 혼합 가스가 용기로부터 배출될 때, 제1 액체를 기화된 상태로 유지할 수 있다. 당해 출구 온도는 제1 및 제2 액체의 비점이나 배출구 부근에 있어서의 가스의 유속에 의해 적절히 설정할 수 있지만, 예를 들어 상기 제1 액체의 비점보다 높고 또한 상기 제2 액체의 비점보다 낮도록 설정할 수도 있다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은, 상기 분리 공정으로서, 상기 용기 내로부터 배출된 상기 혼합 가스를 냉각 수단에 접촉시켜서 상기 혼합 가스로부터 액체를 분리하는 액-기 분리 공정을 포함할 수 있다.

이와 같이, 혼합 가스로부터 액체를 분리하는 액-기 분리 공정을 마련함으로써, 예를 들어 액체 상태인 채로의 제2 액체와 기화한 제1 액체를 포함하는 혼합 가스가 동시에 용기로부터 배출되었을 때, 상기 혼합 가스와 상기 제2 액체를 분리시킬 수 있다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은, 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체 중 적어도 한쪽이 무기 용매 및 유기 용매 중 어느 한쪽 용매이어도 좋다. 제1 액체 및 제2 액체 양자를 용매로 할 때에는, 각각 비점이 상이한 용매를 사용하게 된다. 이에 의해, 예를 들어 제1 용매/제2 용매의 혼합 액체를, 제1 용매와 제2 용매로 분리할 수 있다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은, 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체를, 한쪽이 유기 용매이며, 다른 쪽을 물로 할 수 있다. 이에 의해, 유기 용매/물의 혼합 액체를 물과 유기 용매로 분리할 수 있다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은, 상기 유기 용매를 이온 액체로 할 수 있다. 이에 의해, 예를 들어 이온 액체/물의 혼합 액체를 이온 액체와 물로 분리할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 우수한 분리 정밀도를 갖고, 저에너지, 또한 고효율로 혼합 액체를 분리가능한 혼합 액체의 분리 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법의 흐름을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법을 실현하기 위한 장치를 설명하기 위한 설명도이다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은, 적어도 제1 액체와, 상기 제1 액체와 비점이 상이한 제2 액체를 포함하는 혼합 액체로부터 한쪽 액체를 분리하는 혼합 액체의 분리 방법이며, 적어도 제1 액체 및 제2 액체 중 어느 한쪽의 비점보다 높은 온도의 가열 가스가 가열 가스 공급 수단으로부터 공급되고, 또한 적어도 기체를 배출하는 배출구를 갖는 용기 내에, 상기 혼합 액체를 분무하는 분무 수단으로부터 상기 혼합 액체를 분무하는 분무 공정과, 상기 용기 내에 분무된 상기 혼합 액체를 상기 가열 가스와 접촉시켜서 상기 제1 액체를 기화시키는 기화 공정과, 적어도 상기 기화 공정에서 기화된 상기 제1 액체를 포함하는 혼합 가스를 상기 용기의 배출구로부터 배출하는 배출 공정과, 상기 혼합 가스로부터 액체를 분리하는 분리 공정을 포함한다.

도 1을 사용해서 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법의 흐름에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법의 흐름을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은 적어도 분무 공정과, 기화 공정과, 배출 공정과, 분리 공정(도 1에서는 기-액 분리 공정)을 포함한다.

상기 분무 공정은 적어도 제1 액체와, 제1 액체와 비점이 상이한 제2 액체를 포함하는 혼합 액체를 분무 수단으로부터 용기 내에 분무하는 공정이다. 또한, 혼합 액체가 분무되는 용기 내는, 상기 가열 가스 공급 수단으로부터 공급되는 가열 가스로 채워져 있다. 또한, 상기 용기에는 기화된 제1 액체를 포함하는 혼합 가스가 배출되는 배출구가 구비되어 있다.

상기 혼합 액체에 포함되는 제1 액체 및 제2 액체는 비점이 상이한 액체이다. 또한, 제1 액체에는 제2 액체보다 비점이 낮은 액체가 선택된다. 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법에 의하면, 상기 혼합 액체로부터 제1 액체만을 기화시킨 상태로 분리함으로써, 효율적으로 제1 액체와 제2 액체를 분리할 수 있다. 여기서, 「액체」란, 1기압·25℃에서 일정한 체적을 가지고, 유동성을 갖고 있는 액체 상태의 화합물을 의미하고, 상세하게는 일본 소방위(消防危) 제 11호에 나타내어진, 소방법의 위험물 규제에 관한 정령 등의 일부를 개정하는 정령(위험물의 시험 및 성상에 관한 부분) 및 위험물의 시험 및 성상에 관한 성령(省令)(1989년 2월 공포)에 있어서 별첨 2로 나타내진 방법에 기재되는 절차에 따라서 확인되는 것을 의미한다. 또한, 「비점」이란, 1기압에 있어서의 비점을 의미하고, 상세하게는 JIS K2233:1984에 규정되는 방법으로 측정되는 비점을 의미한다. 또한, 「비점」을 갖지 않는 액체(예를 들어 이온 액체)의 경우에는, 여기에서는 편의상 「분해점」을 「비점」으로 하여 가열 온도 등의 기준으로서 사용한다. 즉, 본 발명에 있어서 「비점」에는, 비점을 갖지 않은 액체의 경우에 있어서의 당해 액체의 「분해점」이 포함된다. 여기서 「분해점」이란 열중량 측정 장치(TGA)를 사용해서 승온 속도를 10℃/분으로 측정을 행할 때, 액체의 분자 구조가 변화해서 액체의 중량이 10％ 감소하는 온도를 가리킨다. 또한, 「기체」란, 물질의 상태의 하나로, 스스로 퍼지려고 하는 성질을 갖고, 따라서 일정한 형태나 체적을 갖지 않고, 용기 전체에 퍼지려고 하는 성질을 갖는 상태를 의미한다.

제1 액체와 제2 액체의 조합은, 비점이 상이한 액체끼리이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 적어도 한쪽에 용매를 사용해도 좋고, 제1 액체 및 제2 액체 양자를 용매로 해도 좋다. 제1 및 제2 액체 양자를 용매로 했을 경우에는, 각각 비점이 상이한 용매를 사용하게 된다. 또한, 상기 용매는 무기 용매 혹은 유기 용매 중 어느 것이어도 좋다. 이로 인해, 제1 및 제2 액체의 조합으로는 유기 용매끼리, 무기 용매끼리 혹은 유기 용매와 무기 용매의 조합이나, 구체적으로는 유기 용매와 물의 조합, 유기 용매와 이온 액체의 조합, 물과 이온 액체의 조합, 이온 액체끼리의 조합 등을 들 수 있다. 이때, 비점이 낮은 것이 제1 액체가 된다. 여기서, 「이온 액체」란, 염으로부터 구성되는 화학 물질이며 1기압·25℃에서 액체 상태의 유기 화합물을 의미하고, 물(H₂O)은 포함하지 않는다.

상기 유기 용매로는 N-메틸모르폴린옥시드(NMMO), 디메틸아세트아미드(DMAc), 에탄올, 이소프로필알코올, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트(C2mimAc), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 디에틸포스페이트(C2mimDEP), 1-알릴-3-메틸이미다졸륨 염화물(AmimCl), 1-에틸피리디늄 염화물, 디메틸술폭시드(DMSO), 피리딘, 테트라히드로푸란(THF), 디옥산, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 메틸설포네이트, 디메틸포름아미드(DMF)를 들 수 있다.

또한, 이 중, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트(C2mimAc), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 디에틸포스페이트(C2mimDEP), 1-알릴-3-메틸이미다졸륨 염화물(AmimCl), 1-에틸피리디늄 염화물, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 메틸설포네이트가 상기 이온 액체에 해당한다.

또한, 상기 무기 용매로는, 예를 들어 물(H₂O)이나 용융염 등을 사용할 수 있다.

구체적인 제1 액체와 제2 액체의 조합은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 물(비점: 약 100℃)과 C2mimAc(비점(분해점) 약 210℃)의 조합, 물과 C2mimDEP(비점(분해점) 약 255℃)의 조합, 물과 AmimCl(비점(분해점) 약 245℃)의 조합, 물과 NMMO(비점 120℃)의 조합, 물과 THF(비점 약 66℃)의 조합, 물과 피리딘(비점 약 115.2℃)의 조합, 물과 폴리에틸렌글리콜(비점 약 250℃ 이상)의 조합, 물과 DMSO(비점 약 189℃)의 조합, 물과 DMF(비점 약 153℃)의 조합 등을 들 수 있다.

또한, 이상의 조합에 있어서는 비점(분해점)이 높은 액체가 제2 액체에 해당한다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은, 제1 액체 및 제2 액체의 함유 비율에 영향받지 않고, 높은 분리 효율을 달성할 수 있다. 예를 들어, 제2 액체의 함유량이 1질량％ 이하인 경우에도, 높은 효율로 제2 액체를 분리·회수할 수 있다.

또한, 상기 제1 액체와 제2 액체의 조합으로는, 혼합했을 때 공비 혼합물을 구성하지 않는 조합이 바람직하다. 예를 들어, 공비 혼합물을 구성하는 액체의 조합으로는 물과 에탄올의 조합이나, 물과 이소프로필알코올의 조합 등을 들 수 있다. 여기서 「공비」란, 액체의 혼합물로부터 비등할 때 액상과 기상이 동일한 조성이 되는 현상을 말한다.

제1 액체 및 제2 액체 간의 비점의 차이는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 제1 액체와 제2 액체는 비점의 차이가 20 내지 200℃인 것이 바람직하고, 100 내지 200℃가 더욱 바람직하다.

분무 공정에 있어서는, 혼합 액체가 분무 수단에 의해 액적화되어 분무된다. 혼합 액체의 액적의 입경으로는 특별히 한정되지 않지만, 20 내지 700㎛가 바람직하고, 400 내지 500㎛가 더욱 바람직하다. 이때, 분무 수단의 노즐 직경이나 분무 압력 등은, 상기 혼합 액체의 액적의 입경을 기준으로 적절히 설정할 수 있다. 또한, 노즐의 막힘이나 분무 효율을 높이기 위해서, 분무 수단으로부터 혼합 액체를 분무하기 전에 필터 등에 의해 혼합 액체 중의 불순물이나 고형물을 제거하는 공정을 마련할 수도 있다.

본 발명의 혼합 액체의 분리 방법에 사용되는 용기(챔버)는 특별히 한정되지 않지만, 소정의 공정에 견딜 수 있는 정도의 강도를 갖고, 당해 강도를 발휘하는 재질로 구성되며, 중공인 것이라면 적절히 사용할 수 있다. 또한, 용기의 용적은 혼합 액체의 처리량에 따라서 적절히 선택된다. 또한, 용기의 내압도 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 0.05 내지 0.15㎫ 정도가 바람직하고, 0.08 내지 0.10㎫가 더욱 바람직하다. 또한, 용기 내의 온도는 가열 가스에 의해, 제1 비점보다 높고 또한 제2 비점보다 낮은 온도로 유지되는 것이 바람직하다.

상기 용기는 상기 가열 가스 공급 수단으로부터 공급되는 가열 가스로 채워져 있다. 가열 가스는 그 가스 온도가 공급 시점에서 적어도 한쪽 액체의 비점보다 높은 것이면 특별히 한정 없이 사용할 수 있다. 단, 혼합 액체에 대하여 반응성이 적은 가스를 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어 공기, 질소 가스, 또는 불활성 가스 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 용기에 대한 가열 가스의 공급량 및 공급 속도는 특별히 한정되지 않지만, 상기 용기 내에 걸리는 압력을 원하는 정도로 유지할 수 있는 정도의 유량으로서, 0㎥/min 초과, 1.0㎥/min 이하인 것이 바람직하고, 또한 0.1㎥/min 이상 0.7㎥/min 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 가열 가스의 공급구는 1개에 한정되지 않고, 복수 개소로부터의 유입이어도 좋고, 유입 장소에 대해서도 특별히 제한은 없다.

가열 가스의 온도는, 예를 들어 용기에 공급될 때의 가열 가스의 온도(이하, 「입구 온도」라고 하는 경우가 있음)를, 입구 온도 및 출구 온도의 양자에 있어서, 가스 온도(용기 내의 온도)가 적어도 어느 한쪽 액체의 비점보다 높도록(바람직하게는 제1 액체의 비점보다 높고, 또한 제2 액체의 비점보다 낮도록) 가열 수단(예를 들어 히터 등)을 사용해서 제어할 수도 있다. 상기 가열 가스의 입구 온도의 제어는, 예를 들어 용기의 가열 가스 공급 수단 및 배출구의 부근에 온도 센서를 설치하여 각 온도를 모니터링함으로써 행할 수 있다. 예를 들어, 물과 다른 액체를 포함하는 혼합 액체를 분리할 경우에는, 출구 온도를 물의 비점을 기준으로 설정할 수 있다.

계속해서, 상기 기화 공정은, 상기 용기 내에 분무된 상기 혼합 액체를 상기 가열 가스와 접촉시켜서 적어도 상기 제1 액체를 기화시키는 공정이다. 실제로는 분무 공정에 있어서 분무된 혼합 액체는 분무와 동시에 가열 가스와 접촉하기 때문에, 상기 분무 공정과 기화 공정은 거의 동시에 행해지게 된다. 또한, 상기 혼합 액체는 분무시에 필요한 온도까지 가온되어 있는 경우에는, 분무 공정과 동시에 기화 공정이 행해지게 된다. 상기 기화 공정에 있어서, 기화된 제1 액체 및 기체, 또는 액체인 채로의 제2 액체는, 용기 내에서 가열 가스와 혼합되어서 혼합 가스가 된다. 가열 가스 공급 수단은, 가열 가스를 용기 외부로부터 공급하는 형태이어도 좋고, 또는 용기 내에 구비된 가열기에 의해 용기 내의 기체를 가온해서 혼합 가스를 공급하는 형태로 할 수도 있다.

상기 배출 공정은, 상기 기화 공정에서 기화된 상기 제1 액체를 포함하는 혼합 가스를 상기 용기의 배출구로부터 배출하는 공정이다. 상기 배출 공정에 있어서는, 예를 들어 용기의 입구측으로부터의 가열 가스 등의 송풍(공급)에 의해 용기 내의 혼합 가스를 배출구로부터 배출할 수 있도록 장치를 구성해도 좋고, 배출구측에 블로워 등을 접속해서 용기 내의 혼합 가스를 흡인하여 혼합 가스를 배출구로부터 배출할 수 있도록 장치를 구성해도 좋으며, 또한 이것들을 조합해도 좋다. 상기 배출 공정에 있어서는, 예를 들어 제1 액체만이 기화하고 있을 경우에는, 액적 형상의 제2 액체가 기화된 제1 액체를 포함하는 혼합 가스와 함께, 배출구로부터 용기 외부로 배출되도록 장치를 구성해도 좋고, 질량 차이를 이용해서 상기 제2 액체가 다른 배출구, 예를 들어 용기 하부로부터 회수할 수 있도록 장치를 구성해도 좋다. 이 경우, 배출 공정과 분리 공정이 거의 동시에 행해지게 된다.

또한, 상기 배출 공정에 있어서, 액적 형상의 제2 액체를 상기 혼합 가스와 함께 용기의 배출구로부터 배출할 경우, 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법에서는, 상기 용기 내로부터 배출된 상기 혼합 가스로부터 액체(제2 액체)를 분리하는 분리 공정이 실시된다. 분리 공정이란, 혼합 가스로부터 제2 액체를 분리하는 공정이며, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이 냉각 수단을 사용한 액-기 분리 공정 등을 들 수 있다. 분리 공정에 있어서, 혼합 가스로부터 액체를 분리하는 수단은 특별히 한정 없이 공지된 방법을 적절히 사용할 수 있지만, 예를 들어 기류에 의한 원심력을 이용해서 혼합 가스로부터 액체를 분리할 수 있다. 나아가, 상기 배출 공정에서 배출된 혼합 가스를 제1 액체와 제2 액체로 분리하는 분리 공정으로서, 분리기 중에 냉각 수단을 설치하고, 혼합 가스를 냉각 수단에 접촉시켜서 제2 액체를 응집시켜서 혼합 가스로부터 분리시키는 분리 액-기 분리 공정을 실시해도 좋다. 또한, 회수한 제2 액체 중에 고형물 등이 포함될 우려가 있는 경우에는, 필터 등에 의해 분리 공정 후에 회수한 제2 액체 중으로부터 고형물 등을 제거하는 공정을 마련해도 좋다.

또한, 상기에서는 배출 공정 후에 분리 공정이 실시되는 형태에 대해서 설명했지만, 본원 발명에 있어서 분리 공정은 배출 공정 후에 행해지는 형태에 한정되지 않는다. 상술한 바와 같이, 제1 액체만이 기화하고 있을 경우에는, 액적 형상의 제2 액체를 상기 용기 중에서 혼합 가스와 분리하고, 예를 들어 용기 하부로부터 회수할 수 있도록 장치를 구성한 경우에는, 배출 공정과 분리 공정이 병행해서 행해지게 된다.

다음으로 도 2를 사용하여, 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법에 사용되는 장치 및 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법의 흐름에 대해서 설명한다. 도 2는 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법을 실현하기 위한 장치를 설명하기 위한 설명도이다. 도 2에 있어서, 분리 장치(100)는 분무 노즐(분무 수단)(8)과, 블로워(10)와, 챔버(용기)(12)와, 가열 가스 공급로(14)와, 히터(15)와, 분리기(16)와, 회수 용기(18)를 포함하여 구성되어 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 분무 노즐(8)에는 시료 용기(2)로부터 혼합 액체를 분무 노즐(8)에 공급하기 위한 공급관(3)이 혼합기(9)를 통해서 접속되어 있고, 상기 공급관(3)에는 송액 펌프(4)가 구비되어 있다. 공급관(3)에는 혼합 액체 중의 불순물이나 고형물을 제거하기 위한 필터를 설치할 수도 있다. 또한, 분무 노즐(8)에는 니들판(6)이 구비된 분무 기체 공급관(7)이 혼합기(9)를 통해서 접속되어 있고, 압축기 등으로부터 공급되는 압력 공기를 시료 용기(2)로부터 공급되는 혼합 액체와 함께 분무 노즐(8)에 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 분무 노즐의 선단부(8A)의 직경(노즐 직경)은 특별히 한정되지 않지만, 원하는 액적의 입경에 맞춰서 적절히 선택할 수 있다. 상기 노즐 직경으로는, 예를 들어 400 내지 700㎛가 바람직하고, 500 내지 700㎛가 더욱 바람직하다.

챔버(12)의 혼합 액체 공급측(이하, 간단히 「입구측」이라고 하는 경우가 있음)에는, 분무 노즐(8)이 구비되면서, 또한 가열 가스 공급로(14)의 선단부(14A)가 접속되어 있다. 또한, 가열 가스 공급로(14)의 선단부(14A)는, 분무 노즐(8)을 중심으로 해서 그 주위를 가열 가스가 유통할 수 있도록 구성되어 있고, 가열 가스 공급로(14) 중에 구비된 히터(15)로 온도 제어된 가열 가스가 선단부(14A)를 통해서 챔버(12) 내에 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 히터(15)(가열 수단)는 가열 가스를 원하는 온도로까지 가열할 수 있는 장치이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 공지된 전열선 등을 사용할 수 있다. 또한, 가열 가스 공급로(14)에는 온도 센서(20)가 구비되어 있고, 히터(15)로 가열된 가열 가스 공급로(14) 중의 챔버(12) 내의 공급될 때의 가열 가스의 온도(입구 온도)를 모니터링할 수 있다. 나아가 분무 노즐(8)에 유통된 혼합 액체는, 노즐을 구성하는 금속 등의 전열체를 통해서 가열 가스로부터의 열을 혼합 액체에 전할 수 있고, 혼합 액체를 분무 노즐(8) 선단의 혼합 액체 공급측인 입구측에 도달할 때까지의 사이에 필요한 온도까지 가열할 수 있다.

챔버(12)는, 그 내부에 분무된 혼합 액체와 별도로 공급되는 가열 가스를 접촉시키기 위한 용기다. 상술한 바와 같이, 챔버(12)의 입구측에는 분무 노즐(8)과 가열 가스 공급로(14)가 접속되어 있고, 용기 내에 혼합 액체를 분무하고, 또한 가열 가스를 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 챔버(12)의 가스 등의 배출측(이하, 간단히 「출구측」이라고 하는 경우가 있음)에는, 혼합 가스를 챔버 외부로 배출하기 위한 배출구(12A)가 설치되어 있다. 본 장치에 있어서는, 제2 액체의 액적이 혼합 가스와 함께 챔버로부터 배출되도록 설계되어 있다.

또한, 챔버(12)는 혼합 가스가 되지 않고 액체인 채로 존재하고 있는 제2 액체를 회수하기 위한 회수 용기로서도 사용할 수 있고, 필요에 따라 챔버(12)의 임의의 장소(예를 들어 저부)에 제2 액체를 배출하기 위한 제2 배출구를 형성할 수도 있다.

또한, 챔버 배출구(12A)의 주변에는, 온도 센서(22)가 구비되어 있고, 챔버(12) 내로부터 배출될 때의 혼합 가스의 온도(출구 온도)를 모니터링할 수 있다. 또한, 챔버의 배출구(12A)에는 분리기(16)가 접속되어 있다.

이때, 상기 온도 센서(22)로 모니터링한 온도를 가열 가스의 온도에 피드백하고, 입구 온도와 출구 온도가 일정하게 유지되도록 히터(15) 등에 있어서 가열 온도를 제어할 수 있도록 구성해도 좋다. 또한, 상기 용기의 배출구에 있어서의 혼합 가스의 온도(출구 온도)는, 상기 제1 액체가 기화된 상태를 유지할 수 있는 정도로 설정할 수 있다. 이렇게 출구 온도를 설정함으로써, 상기 혼합 가스가 용기로부터 배출될 때, 제1 액체가 기화된 상태를 유지할 수 있다. 당해 출구 온도는, 제1 및 제2 액체의 비점이나 배출구 부근에 있어서의 가스의 유속에 의해 적절히 설정할 수 있지만, 예를 들어 상기 제1 액체의 비점보다 높고, 또한 상기 제2 액체의 비점보다 낮도록 설정할 수도 있다.

분리기(16)는 혼합 가스와 제2 액체를 분리하기 위해서 사용된다. 분리기(16)는 연결부(16A)와 혼합 가스의 분리를 행하는 분리부(16B)와 배출관(16C)으로 구성되어 있다. 분리기(16)는 연결부(16A)에 있어서 챔버의 배출구(12A)와 연결되어 있고, 챔버(12)로부터 배출된 혼합 가스 등이 분리기(16)에 공급되도록 구성되어 있다. 분리기(16)의 분리부(16B) 내부는, 나선 형상으로 기류가 선회하도록 형성되어 있고, 블로워(10)의 흡인에 의해 기류의 사이클론이 발생하여, 원심력에 의해 혼합 가스로부터 제2 액체를 분리할 수 있도록 구성되어 있다. 분리기(16)에 있어서, 분리부(16B)의 중력 방향 하측에는 회수 용기(18)가 접속되어 있고, 혼합 가스로부터 분리된 제2 액체를 회수할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 분리기(16)의 중력 방향 상측에는 블로워(10)가 접속된 배출관(16C)이 접속되어 있고, 블로워(10)에 의한 흡인에 의해, 제2 액체와 분리된 혼합 가스가 배출되도록 구성되어 있다. 또한, 블로워(10)에 의한 흡인에 의해, 혼합 가스의 온도가 저하되기 때문에 액체를 보다 효율적으로 회수할 수 있다.

또한, 도 2에 있어서는 액체의 분리기(16)의 분리부(16B) 내부에 냉각기(16D)가 설치되어 있다. 냉각기(16D)는 배관 내에 냉매를 순환시킨 구성을 갖고 있으며, 혼합 가스를 냉각함으로써 제2 액체의 분리(회수) 효율을 높일 수 있다. 상기 냉각기(16D)의 설치는 임의이며, 그 밖에도 분리기(16) 내에 혼합 가스와의 접촉 면적이 증가하는 부위를 설치해서 제2 액체의 응집을 재촉하는 응집 수단을 마련할 수도 있고, 보다 효율적인 액체의 회수를 행하는 것이 가능하다.

이어서, 분리 장치(100)를 사용한 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법의 흐름에 대해서, 도 2를 사용해서 설명한다. 이하의 예에 있어서는, 물(비점 약 100℃: 제1 액체) 중에 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트(C2mimAc)(분해점: 210℃: 제2 액체)를 약 0.4％ 포함하는 혼합 액체를 사용한 예에 대해서 설명하지만, 본 발명은 이 형태에 한정되는 것은 아니다.

우선, 시료 용기(2) 중의 혼합 액체가, 송액 펌프(4)에 의해 분무 노즐(8)로 송류된다. 또한, 동시에 압축기 등으로부터 가압 공기가 니들판(6)에 의해 압력이 조정되면서 분무 노즐(8)에 공급된다. 분무 노즐(8)에 공급된 혼합 액체와 가압 공기는, 분무 노즐(8)에 접속된 혼합기(9)에서 혼합되어, 선단부(8A)로부터 챔버(12) 내에 분무된다. 이때, 분무 조건이란, 출구 온도를 감시하면서 적절히 결정되며, 예를 들어 분무 압력은 0.08㎫ 내지 0.1㎫, 송액 속도는 8 내지 10g/min 정도이다.

상기 혼합 액체가 분무될 때, 챔버(12) 내는 이미 상압 부근으로 유지된 가열 가스로 채워져 있다. 히터(15)는 블로워(10)로부터의 흡인에 의해 외부로부터 흡인한 가스(예를 들어, 질소 가스)를 가열한다. 이때, 가열 가스의 온도는 온도 센서(20)에 의해 감시되고 있고, 가열 가스 공급로(14) 중에 배치된 히터(15)로 원하는 입구 온도로까지 가열된다. 히터(15)로 가열된 가열 가스는, 가열 가스 공급로의 선단부(14A)를 통해서 챔버(12) 내에 공급된다. 이때, 가열 가스의 입구 온도는 대략 220℃ 정도이다. 또한, 분무 노즐(8)은 가열 가스 공급로(14)의 선단부(14A)에 의해 가열 가능하도록 구성되어 있고, 분무 노즐(8) 중의 혼합 액체를 가열할 수 있다. 이에 의해 분무 노즐 중의 혼합 액체의 점도를 낮게 할 수 있고, 효율적으로 송액을 행할 수 있다.

챔버(12) 내에 분무된 혼합 액체는 입경 20㎛ 정도의 액적이 된다. 액적화된 혼합 액체가 챔버(12) 내에 공급된 가열 가스와 접촉하면, 혼합 액체 중의 제1 액체(물)가 증발해서 기화한다. 이때, 혼합 액체의 분무에 의해, 액적화된 혼합 액체와 가열 가스의 접촉 면적은 매우 커져 있기 때문에, 매우 짧은 시간에 제1 액체는 기화한다.

챔버(12) 내에서 기화한 제1 액체(물)는, 가열 가스나 분무에 사용된 가스와 혼합되어 혼합 가스가 된다. 이때, 블로워(10)의 흡인에 의해 챔버(12) 내의 혼합 가스는 배출구(12A)로부터 배출되지만, 액적화된 제2 액체(C2mimAc)도 기화는 되지 않고 있지만 미세한 액적으로서 혼합 가스에 혼합되어서 함께 배출구(12A)로부터 배출된다.

이때, 배출구(12A)에 있어서의 혼합 가스의 온도(출구 온도)는 온도 센서(22)에 의해 감시되고 있고, 가스 온도(출구 온도)가 제1 액체(물)와 제2 액체(C2mimAc)의 비점의 사이가 되도록 제어된다. 출구 온도는, 예를 들어 60 내지 110℃가 되도록 설정할 수 있지만, 제1 액체가 물인 경우에는 100℃ 전후로 하는 것이 바람직하다. 상기 출구 온도의 제어는, 예를 들어 챔버(12)에 공급되는 가열 가스의 온도가 입구 온도로부터 챔버 내에서 어느 정도 떨어질지를 계측해 두고, 이것을 기준으로 해서 히터(15)로 가열 가스의 입구 온도를 어느 정도 높게 설정하여 출구 온도가 원하는 온도가 되도록 컨트롤할 수 있다.

챔버의 배출구(12A)로부터 배출된 혼합 가스와 액적 형상의 제2 액체는 블로워(10)의 흡인에 의해 연결부(16A)를 통해서 분리기(16)에 공급된다. 분리기(16) 내에서는 분리부(16)가 나선 형상으로 기류가 선회하도록 형성되어 있기 때문에, 기류의 사이클론이 발생하고 있다. 이 기류의 사이클론에 의해 발생하는 원심력 및 냉각기(16D)에 있어서의 냉각 작용에 의해 제2 액체가 응집함으로써, 혼합 가스로부터 제2 액체(C2mimAc)를 분리할 수 있다. 그 후 분리된 제2 액체(C2mimAc)는, 분리기(16)의 중력 방향 하측에 설치된 회수 용기(18)에서 포집된다. 또한, 회수 용기(18)에는 제2 액체로부터 고형물 등을 제거하는 필터를 설치해도 좋다.

한편, 제2 액체를 분리한 혼합 가스는, 기화된 제1 액체(물)를 포함한 채 배출관(16C)을 통해서 장치 외부로 배출된다.

또한, 이들 공정은 원하는 양의 혼합 액체에 대해서 연속적으로 행해진다.

이상의 예에 의하면, 예를 들어 C2mimAc를 0.4％ 정도 포함하는 수용액으로부터 C2mimAc를 저에너지로, 또한 단시간에 회수할 수 있으며, 게다가 회수된 C2mimAc의 조성 질량 농도도 약 90％ 이상으로 고효율로 회수할 수 있다.

또한, 상술한 예에 있어서는, 가열 가스의 입구 온도를 제1 액체(물)와의 비점과 제2 액체(C2mimAc)와의 분해점 사이의 온도가 되도록 설정했지만, 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법은 이것에 한정되지 않고, 출구 온도가, 제1 액체가 기화 상태를 유지할 수 있는 온도로 되도록 구성되어 있으면 좋고, 가열 가스의 입구 온도가 제2 액체의 비점을 초과하는 것이어도 좋다.

또한, 상술한 예에 있어서는, 제1 액체를 포함하는 혼합 가스를 장치 외부로 배출하는 구성으로 하고 있지만, 회수 용기 등 별도 제1 액체를 회수하는 수단을 설치해도 좋다. 이 경우, 상기 회수 수단은, 예를 들어 회수 용기의 온도를 제1 액체의 비점 이하의 온도(상기 예의 경우에는 약 30℃ 등)로 하거나, 냉각기를 설치해서 이것과 접촉시킴으로써, 혼합 가스로부터 제1 액체를 회수하고, 회수 후의 혼합 가스를 장치 외부로 배출할 수 있다. 특히, 제1 액체로서, 물 이외의 액체(예를 들어, 유기 용매 등)를 사용한 경우에는 이렇게 제1 액체를 회수하는 회수 공정을 별도 설치하는 것이 바람직하다.

이상, 실시 형태를 들어 본 발명의 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는 일례이며, 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변경해서 실시할 수 있다. 또한, 본 발명의 권리 범위가 이들 실시 형태에 한정되지 않는 것은 물론이다.

<실시예>

이하, 본 발명에 대하여 실시예를 사용해서 보다 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예 3에 대해서, 시판하고 있는 야마토가가꾸사 제조의 「스프레이 드라이어 ADL311-A」를 사용하여, 하기 표 1에 기재된 혼합 액체에 대해서 본 발명의 분리 방법을 실시하였다. 각 장치 조건에 대해서는 표 1에 나타내었다. 비교예 3에서 사용한 혼합 액체 F는, 공비 관계에 있는 물과 에탄올의 혼합 액체다.

또한, 비교예 1은 300㎖ 삼각 플라스크 내에 혼합 액체 A를 100㎖ 넣고, 상압 하 오일 배스 중에서 105℃까지 가온해서 증류를 행하였다.

비교예 2는 혼합 액체 A를 역침투(RO)막에 제공해서 농축하였다. RO막에서의 농축 조건으로는, 액량 230㎖의 혼합 액체를 RO막이 구비된 농축 장치(트라이테크사 제조 「스핀플로셀」)에 넣어, 고압 공기를 농축 장치에 접속해서 4㎫로 가압하고, RO막을 개재한 물을 장치 외부로 배출해서 농축액을 얻었다.

또한, 하기 표 1 중, 입구 온도 및 출구 온도에 있어서 「⇒」 앞뒤에 온도가 기재되어 있는 경우, 「⇒」 앞에 기재되는 온도는 장치의 구동부터 안정까지의 온도를 의미한다. 또한, 「⇒」 뒤의 온도는 장치가 안정된 후 실제로 분무 처리를 행한 온도를 의미한다.

※1: 회수율(％)=(제2 액체의 회수량×회수 조성 질량 농도)/분무한 제2 액체의 양(표 중의 스프레이 양×혼합 액체 중의 제2 액체의 농도)

※2: 표 중, 「회수 조성 질량 농도」는 SDT(TA Instruments사 제조 『Q600』)를 사용하고, 회수액을 100℃에서 30분간 가열한 후의 제2 액체의 잔존량으로부터, 회수액 중의 제2 액체의 농도를 산출하였다.

·혼합 액체 A: 물/이온 액체(0.4질량％: 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트(C2mimAc); 분해점 210℃)

·혼합 액체 B: 물/이온 액체(70질량％: 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트(C2mimAc); 분해점 210℃)

·혼합 액체 C: 물/이온 액체(0.3질량％: 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트(C2mimAc); 분해점 210℃/유기 용매(0.1질량％: 디메틸아세트아미드(DMAc); 비점 165℃)

·혼합 액체 D: 물/유기 용매(4질량％: N-메틸모르폴린옥시드(NMMO): 비점 120℃)

·혼합 액체 E: 물/이온 액체(0.4질량％: 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 디에틸포스페이트(C2mimDEP); 분해점 255℃)

·혼합 액체 F: 물/에탄올(50질량％: 에탄올(EtOH); 비점 78.4℃)

※ 물의 비점: 100℃/1atm

또한, 상기 각 혼합 액체에 있어서의 제1 및 제2 액체 및 함유량은 하기와 같다.

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 혼합 액체의 분리 방법을 사용한 실시예에 있어서, 회수 조성물의 질량 농도는 역침투(RO)막을 사용한 비교예 2와 비교하여 높은 것이었다. 또한, 비교예 1에 있어서, 혼합 용액 100㎖당 분리에 필요로 한 시간은 350분이며, 비교예 2에서는 71.7분이었다.

이에 반해, 실시예의 분리 방법에 따르면, 모두 100㎖당 분해에 필요로 하는 시간의 평균은 비교예에 비해서 단시간이며, 에너지 효율이 뛰어난 분리 방법인 것을 알았다.

한편, 실시예와 마찬가지의 방법에 있어서 공비 관계를 갖는 물과 에탄올과의 혼합 액체 F를 사용한 비교예 3에 있어서는, 제2 액체(에탄올)의 회수가 곤란하였다.

또한, 일본 특허 출원 제2010-279236호의 발명은 참조에 의해 본 명세서에 도입된다.

본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허 출원 및 기술 규격은 개개의 문헌, 특허 출원 및 기술 규격이 참조에 의해 도입되는 것이 구체적이고, 또한 개별적으로 기재된 경우와 동일 정도로, 본 명세서 중에 참조에 의해 도입된다.

2: 시료 용기
4: 송액 펌프
3: 공급관
6: 니들판
7: 분무 기체 공급관
8: 분무 노즐
8A: 분무 노즐의 선단부
9: 혼합기
10: 블로워
12: 챔버
12A: 배출구
14: 가열 가스 공급로
14A: 가열 가스 공급로의 선단부
15: 히터
16: 분리기
16A: 연결부
16B: 분리부
16C: 배출관
16D: 냉각기
18: 회수 용기
20: 온도 센서
22: 온도 센서
100: 분리 장치

Claims

적어도 제1 액체와 상기 제1 액체보다 높은 비점을 갖는 제2 액체를 포함하는 혼합 액체로부터 한쪽 액체를 분리하는 혼합 액체의 분리 방법이며,
적어도 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체 중 어느 한쪽의 비점보다 높은 온도의 가열 가스가 가열 가스 공급 수단으로부터 공급되고 또한 적어도 기체를 배출하는 배출구를 갖는 용기 내에, 상기 혼합 액체를 분무하는 분무 수단으로부터 상기 혼합 액체를 분무하는 분무 공정과, 상기 용기 내에 분무된 상기 혼합 액체를 상기 가열 가스와 접촉시켜서 적어도 상기 제1 액체를 기화시키는 기화 공정과,
적어도 상기 기화 공정에서 기화된 상기 제1 액체를 포함하는 혼합 가스를 상기 용기의 배출구로부터 배출하는 배출 공정과,
상기 혼합 가스로부터 상기 제2 액체를 분리하는 분리 공정을 포함하는 혼합 액체의 분리 방법.
제1항에 있어서, 상기 가열 가스 공급 수단에 있어서의 상기 가열 가스의 온도가 상기 제1 액체의 비점보다 높고 또한 상기 제2 액체의 비점보다 낮은 혼합 액체의 분리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리 공정은 용기 내로부터 배출된 상기 혼합 가스를 냉각 수단에 접촉시켜서 상기 혼합 가스로부터 제2 액체를 분리하는 액-기 분리 공정을 포함하는 혼합 액체의 분리 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는 적어도 한쪽이 무기 용매 및 유기 용매 중 어느 한쪽의 용매인 혼합 액체의 분리 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는 한쪽이 유기 용매이며 다른 쪽이 물인 혼합 액체의 분리 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 유기 용매가 이온 액체인 혼합 액체의 분리 방법.