JPH07227517A

JPH07227517A - 液体混合物の分離方法

Info

Publication number: JPH07227517A
Application number: JP4174694A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Takai; 義明高井; Hiroshi Yoshida; 容吉田
Original assignee: Nisso Engineering KK
Current assignee: Nisso Engineering KK
Priority date: 1994-02-17
Filing date: 1994-02-17
Publication date: 1995-08-29

Abstract

(57)【要約】【目的】使用設備がコンパクトで、エネルギー効率の
より優れた分離方法を得る。【構成】原液である液体混合物を蒸留塔１の塔頂部に
供給し、ここで発生した塔頂混合蒸気を気体分離膜を備
えた膜分離装置２に導入し、低沸点成分蒸気である膜非
透過蒸気と、高沸点成分高含量の混合蒸気である膜透過
蒸気とに分離する方法において、前記膜透過蒸気を蒸留
塔１の中間部に導入して、該膜透過蒸気に混入している
低沸点成分を塔頂蒸気としてそれを膜分離装置２に循環
し、前記膜非透過蒸気を蒸留塔１の塔底液と熱交換する
ことにより凝縮させ低沸点成分液として取り出す一方、
蒸留塔１の塔底から缶出液として高沸点成分液を取り出
すようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸留技術と膜分離技術
とを組み合わせた液体混合物の分離方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】膜分離技術として、浸透気化法または蒸
気浸透法が注目され種々研究が行われているが、成分を
完全に分離する膜は開発されておらず、これらの膜分離
法は、分離不十分な膜透過混合物を如何に処理するかと
いう問題点を有している。また、これらの膜分離方法
は、供給原料あるいは膜透過成分を蒸発させるための蒸
発潜熱の供給が必要であり、エネルギー上の問題もあ
る。一方、汎用的な液体分離技術である蒸留は、共沸物
の分離が困難であり、また、還流操作を行うためエネル
ギー消費量が大きいという欠点を有する。

【０００３】近年、前述の膜分離技術及び蒸留技術の各
問題点を改良し、また、それぞれの長所を生かした分離
法の開発指向としては、両技術を組み合わせた液体分離
技術が開発されつつある（特開昭６３−５９３０８号、
特開昭６３−２５８６０１号、特開平２−２５３８０２
号等）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の蒸留
と膜分離とを組み合わせた公知の分離方法では、以下の
ように省エネルギー効果が未だ十分に達成されておら
ず、これが設備の大型化と共にコスト増の要因になって
いる。すなわち、特開昭６３−５９３０８号の分離方法
は、浸透気化膜による膜分離と、膜透過蒸気に混入した
膜非透過性成分を回収すための蒸留とを組み合わせた構
成であるが、蒸留塔からの留出蒸気を膜分離装置に循環
する際、凝縮液化する必要がある。また、蒸留塔で還流
を行うためにも留出蒸気の凝縮液化が必要であり、省エ
ネルギー的に未だ不満足なものである。

【０００５】これに対し、特開昭６３−２５８６０１号
及び特開平２−２５３８０２号の分離方法では、気体分
離膜による膜分離と蒸留とを組み合わせた構成である。
前者は、原料を全量蒸発させて膜分離装置に供給する必
要があり、エネルギー消費量が大きく不経済である。特
に、原料が低濃度のエタノール等のように、膜透過性成
分である高沸点物（水）を多量に含有する混合物である
場合、その欠点が顕著なものとなる。後者は、図２に示
したフローにより実施する方法であり、蒸留塔からの留
出蒸気をそのまま膜分離装置に供給している点で、使用
エネルギーをそれなりに低減化しているが、膜透過蒸気
を凝縮液化して蒸留塔の塔頂に循環するためエネルギー
の損失が生じている。

【０００６】本発明の目的は、蒸留と膜分離とを組み合
わせた液体混合物の分離方法において、前述のような欠
点を改善し、使用設備がコンパクトで、エネルギー効率
のより優れた液体混合物の分離方法を提供することにあ
る。他の目的は以下の構成説明と共に明らかにする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の液体混合物の分離方法は、原液である液体
混合物を蒸留塔の塔頂部に供給し、ここで発生した塔頂
混合蒸気を気体分離膜を備えた膜分離装置に導入し、低
沸点成分蒸気である膜非透過蒸気と、高沸点成分高含量
の混合蒸気である膜透過蒸気とに分離する方法におい
て、前記膜透過蒸気を前記蒸留塔の中間部に導入して、
該膜透過蒸気に混入している低沸点成分を塔頂蒸気とし
てそれを膜分離装置に循環し、前記膜非透過蒸気を蒸留
塔の塔底液と熱交換することにより凝縮させ低沸点成分
液として取り出す一方、蒸留塔の塔底から缶出液として
高沸点成分液を取り出すようにした。以上の構成におい
て、前記蒸留塔の塔頂混合蒸気は、蒸気圧縮機で加圧し
てから膜分離装置へ導入することがより好ましい。

【０００８】

【作用】以上の本発明方法は、種々の液体混合物の分離
に適用可能であり、その種類に限定されるものではない
が、水と、水よりも沸点の低い有機溶剤との混合物から
の脱水に特に好適である。有機溶剤としては、例えば、
メタノール、エタノールプロパノール等のアルコール
類、ケトン類、エステル類、エーテル類等が挙げられ
る。

【０００９】本発明で用いられる気体分離膜としては、
成分分離しようとする液体混合物のうち、高沸点成分を
優先的に透過する膜であれば特に限定されない。例え
ば、ポリビニルアルコール膜、シリコンゴム膜、ポリイ
ミド膜、多孔質セラミックス膜が挙げられ、更にキトサ
ン誘導体、アルギン酸誘導体等の多糖類膜等、公知の気
体分離膜も使用可能である。また、気体分離膜の形態は
平膜に限らず、中空糸膜等であってもよい。また、これ
を組み込んだ膜分離装置において、その具体的な形態及
び段数等は液体混合物の成分、分離膜の性能、設計分離
成分の純度等に応じて任意に設定可能である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を実施するための装置の概略フ
ローを示す図１に基づき、本発明要部について更に詳述
する。図１の装置は、蒸留塔１及び膜分離装置２が主体
となり、原液である液体混合物が管路３を通じて蒸留塔
１の塔頂部に供給される。ここで、蒸留塔１は充填塔、
棚段塔等の通常のものが用いられる。膜分離装置２は、
分離しようとする液体混合物のうち高沸点成分を優先的
に透過する気体分離膜モジュールから構成されている。
この所定箇所には、前記塔頂混合蒸気を導入する管路４
と、低沸点成分蒸気である膜非透過蒸気を装置外へ導く
管路５と、膜優先透過性成分である高沸点成分を装置外
へ導く管路６の各一端が接続している。

【００１１】そして、前記塔頂部で発生する塔頂混合蒸
気は、原液よりも低沸点成分含有率が高くなっており、
管路４を通じて蒸留塔１の塔頂部から管路４の途中に設
けられた蒸気圧縮機７により加圧されて膜分離装置２の
一次側２ａに供給される。この膜分離装置２において、
供給された混合蒸気中の膜優先透過性成分である高沸点
成分は、少量の低沸点成分と共に気体分離膜を透過し、
低沸点成分蒸気である膜非透過蒸気と、高沸点成分高含
量混合蒸気である膜透過蒸気とに分離される。

【００１２】膜非透過蒸気は管路５により蒸留塔１のリ
ボイラー８へ導かれる。このリボイラー８では、膜非透
過蒸気を蒸留塔１の塔底液と熱交換して塔底液を加熱す
る。膜非透過蒸気はこの熱交換により凝縮され低沸点成
分液として取り出される。また、気体分離膜の二次側２
ｂに透過した膜透過蒸気は、その高沸点成分に混入して
いる低沸点成分を回収するため、管路６により蒸留塔１
の中間部に供給される。すなわち、その低沸点成分は蒸
留塔１において、塔頂混合蒸気と共に蒸気圧縮機７を介
して膜分離装置２に循環される。

【００１３】以上の本発明構成にあっては、気体分離膜
の二次側２ｂにおける圧力を一次側２ａにおける圧力よ
り低く設定する必要があり、そのために、図１の如く管
路４に蒸気圧縮機７を設置するのが好ましい。このよう
に、塔頂蒸気を蒸気圧縮機７で加圧した後に膜分離装置
２に導入することにより、この圧縮により蒸気が昇温
し、膜分離装置２を効率的に稼働させることができる。
要は、蒸気圧縮機７の作用により、気体分離膜の一次側
２ａと二次側２ｂとにおける膜透過性成分の分圧差を確
保し、同時に、膜透過蒸気の蒸留塔１への循環を可能に
するのである。

【００１４】なお、同様な作用を得る他の構成として、
前記蒸気圧縮機７は膜透過蒸気を蒸留塔１の中間部へ導
く管路６に設置することも可能であり、更に管路４及び
管路６の両方に設置してもよい。蒸気圧縮機７の設置が
管路６のみである場合、膜透過蒸気を蒸留塔１の加熱源
として利用するためには、更に、管路５にも別に蒸気圧
縮機を設置して、膜透過蒸気を圧縮昇温したのちリボイ
ラー８に導くようにする。

【００１５】蒸留塔１の塔底からは、低沸点成分が除去
された高沸点成分が缶出液として排出され、その一部は
リボイラー８により加熱循環され、残りは管路９により
系外に排出される。なお、このような管路９から排出さ
れる高沸点成分は、これを管路３から供給される原液と
熱交換する構成にすれば、熱効率を更に向上することが
できる。

【００１６】次ぎに、本発明の実施態様例を挙げるが、
本発明はこれに限定されるものではない。

【実施例１】図１のフローに基づき、エタノール水溶液
の脱水を次の条件下で行った。７８．５℃に加熱した８
０．０ｗｔ％エタノール水溶液を、ポンプ１０により８
３４ｋｇ／ｈで蒸留塔１の塔頂部に供給し、留出した塔
頂蒸気を蒸気圧縮機７により１．９ｋｇ／ｃｍ²・Ｇに
加圧し、膜分離装置２に導入した。この蒸気圧縮機７の
加圧により、膜分離装置２に導入される蒸気温度は１４
１℃まで上昇した。膜分離装置２において、膜透過蒸気
は二次側２ｂから蒸気のまま蒸留塔１の中間部へ循環し
た。そして、蒸留塔１の蒸留作用により透過膜蒸気のう
ち循環される低沸点成分である高エタノール含量蒸気
と、高沸点成分である水とに分離し、後者を蒸留塔１の
塔底部から缶出液として排出した。一方、膜非透過蒸気
は、蒸留塔１のリボイラー８において熱交換し１０７℃
まで冷却して凝縮させた後、更に不図示の凝縮器により
４０℃まで冷却して精製エタノールを得た。蒸留塔１か
ら留出した塔頂蒸気はエタノールが８５．９ｗｔ％（８
６６ｋｇ／ｈ）、循環した膜透過蒸気はエタノールが４
１．６ｗｔ％（１８４ｋｇ／ｈ）、得られた精製エタノ
ールは９７．８ｗｔ％（６８２ｋｇ／ｈ）であった。ユ
ーティリティー使用量は表１の通りであった。

【００１７】

【比較例】図２に示したフローに基づき、エタノール水
溶液の脱水を行った（図２では図１に相当する装置を同
符号に［′］を付けて示す）。蒸留塔１′及び膜分離装
置２′は実施例１のものと同じであり、７８．５℃に加
熱した８０．０ｗｔ％エタノール水溶液を、ポンプ１
０′により８３４ｋｇ／ｈで蒸留塔１′（１．９ｋｇ／
ｃｍ²・Ｇ）の塔頂部に供給し、留出した塔頂蒸気を膜
分離装置２′に導入した。膜透過蒸気は膜分離装置２′
の二次側から凝縮器１３に導入して冷却し、ここで液化
した７０℃の混合溶液をポンプ１１により蒸留塔１′の
塔頂部に循環した。エタノールが除去された水は、蒸留
塔１′の塔底部から管路９′を通じ缶出液として排出し
た。蒸留塔１′においては水蒸気供給管１４から蒸留塔
１′の塔底液に加圧水蒸気を吹き込み加熱した。膜非透
過蒸気は、凝縮器１２により４０℃まで冷却して精製エ
タノールを得た。蒸留塔１′から留出した塔頂蒸気はエ
タノールが８０．９ｗｔ％（９２７ｋｇ／ｈ）、循環し
た膜透過蒸気はエタノールが３３．７ｗｔ％（２４５ｋ
ｇ／ｈ）、得られた精製エタノールは９７．８ｗｔ％
（６８２ｋｇ／ｈ）であった。ユーティリティ使用量は
表１の通りであった。

【００１８】なお、この比較例では精製エタノールの濃
度及び量が実施例１と同じになるように膜分離装置２′
における気体分離膜面積を設定した。この膜面積は実施
例１のものに対し１．１３倍必要であった。

【００１９】

【表１】

【００２０】実施例１では、表１に示したように、蒸気
圧縮機を運転するため、比較例に比べて動力コストが高
くなるが、加熱用水蒸気を起動時以外は必要とせず、冷
却水負荷が極めて低いので、装置設備の簡素化が図られ
ると共に、全ユーティリティーコストが比較例に対し極
めて有利なものとなる。

【００２１】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係る液
体混合物の分離方法は、蒸留塔が回収部のみからなり、
還流操作を必要とせず、蒸留塔から留出した蒸気を凝縮
することなく、膜分離装置、次いで膜透過蒸気の蒸留塔
中間部への循環を行うため凝縮・再蒸発という工程がな
く、エネルギー効率の極めて高いものとなる。更に、膜
非透過蒸気を蒸留塔における熱源として利用し、膜非透
過蒸気の凝縮及び蒸留塔の底液の加熱を行うため、熱損
失が殆どなく、工業的に極めて優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための装置要部の概略を示す
フロー図である。

【図２】比較例の方法を実施するための装置要部の概略
を示すフロー図である。

【符号の説明】

１蒸留塔２膜分離装置７蒸気圧縮機８リボイラー１０ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原液である液体混合物を蒸留塔の塔頂部
に供給し、ここで発生した塔頂混合蒸気を気体分離膜を
備えた膜分離装置に導入し、低沸点成分蒸気である膜非
透過蒸気と、高沸点成分高含量の混合蒸気である膜透過
蒸気とに分離する方法において、前記膜透過蒸気を前記蒸留塔の中間部に導入して、該膜
透過蒸気に混入している低沸点成分を塔頂蒸気としてそ
れを膜分離装置に循環し、前記膜非透過蒸気を蒸留塔の
塔底液と熱交換することにより凝縮させ低沸点成分液と
して取り出す一方、蒸留塔の塔底から缶出液として高沸
点成分液を取り出すことを特徴とする液体混合物の分離
方法。
【請求項２】前記蒸留塔の塔頂混合蒸気を、蒸気圧縮
機で加圧してから膜分離装置へ導入する請求項１記載の
液体混合物の分離装置。