共沸混合物の分離装置及び共沸混合物の分離方法
【課題】装置の構成や工程が簡素で低コストであるとともに、エネルギー投入量を軽減できるため省エネルギー効果が高く、得られる成分の純度が高い共沸混合物の分離装置及び共沸混合物の分離方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、共沸混合物を蒸留塔２により蒸留して留出蒸気と缶出液を得て、
得られた留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気と製品抜き出し用の蒸気に分岐する。圧縮、昇温された留出蒸気Ａがリボイラー５に熱源として供給され、圧縮、昇温された留出蒸気Ｂは蒸気透過膜６を通過し、非透過成分と透過成分に分離され、このうち非透過成分を共沸混合物の加熱手段とした後に回収する。本発明によれば、装置の構成や工程が簡素であるため設備コストを低く抑えることができるとともに、省エネルギー効果が高く、また、蒸気透過膜６を用いて成分を分離しているので、純度の高い成分が得られる共沸混合物の分離装置１及び共沸混合物の分離方法を提供することができる。
【解決手段】本発明は、共沸混合物を蒸留塔２により蒸留して留出蒸気と缶出液を得て、
得られた留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気と製品抜き出し用の蒸気に分岐する。圧縮、昇温された留出蒸気Ａがリボイラー５に熱源として供給され、圧縮、昇温された留出蒸気Ｂは蒸気透過膜６を通過し、非透過成分と透過成分に分離され、このうち非透過成分を共沸混合物の加熱手段とした後に回収する。本発明によれば、装置の構成や工程が簡素であるため設備コストを低く抑えることができるとともに、省エネルギー効果が高く、また、蒸気透過膜６を用いて成分を分離しているので、純度の高い成分が得られる共沸混合物の分離装置１及び共沸混合物の分離方法を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共沸混合物の分離装置及び共沸混合物の分離方法に関する。さらに詳しくは、装置の構成や工程が簡素であるため設備コストを低く抑えることができ、省エネルギー効果が高く、また、純度の高い成分が得られる共沸混合物の分離装置及び共沸混合物の分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エタノールやイソプロパノール等のアルコール類は、その製造工程において水を含んだ混合水溶液として得られるが、かかる混合水溶液におけるアルコール類は低濃度であり、そのまま製品とするには問題があった。このような問題から、高純度なアルコール類を得るために、分離工程により脱水されているが、かかる分離工程における脱水操作には、一般的には蒸留分離が用いられており、多大なエネルギーを消費することになっていた。また、エタノールやイソプロパノールのような炭素数が２以上のアルコール類は水と共沸混合物を形成するため、蒸留分離工程では、まず共沸混合物まで濃縮し、それ以上に脱水が必要な場合は、エントレーナー（共沸ブレーカーとも呼ばれる。）等の第３成分を添加して、これを脱水してアルコール類を濃縮する共沸蒸留が行われている（例えば、特許文献１を参照。）。第３成分であるエントレーナー（共沸ブレーカー）としては、例えば、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン等が用いられている。
【０００３】
図２は、従来の共沸混合物の分離装置１００の一態様を示した概略図である。図２に示す共沸混合物の分離装置１００は、３台の蒸留塔９１〜９３、リボイラー９４〜９６、液々分離器９７、冷却器９８、９９を備える。反応工程より生成した低濃度のイソプロパノールと水の共沸混合物は、１塔目の蒸留塔（共沸塔）９１に導入され、例えば、イソプロパノール濃度が約８５質量％の共沸混合物に濃縮される。蒸留塔（共沸塔）９１の塔頂から得られる共沸混合物は、２塔目の蒸留塔（脱水塔）９２に送られ、適当なエントレーナーにより脱水されることにより（共沸蒸留）、蒸留塔（脱水塔）９２の塔底から高純度のイソプロパノールが得られることになる。なお、塔頂のエントレーナーと水は凝縮された後に液々分離器９７で液々分離され、液々分離後の水相は、３塔目の蒸留塔（排水ストリッパー）９３により処理されて、塔底より共沸混合物中に含まれていた水が得られることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５５８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、蒸留分離はそれだけで多大なエネルギーを消費することに加え、前記した従来の分離装置では、図２に示した構成に代表されるように複数（図２では３台）の蒸留塔が必要であり、設備コストがかかるものであった。特に、図２に示したような装置では、３つの蒸留塔におけるリボイラーへの総エネルギー投入量が非常に大きいことや、第３成分であるエントレーナーを含んだ系を共沸蒸留し、さらにこのエントレーナーを別途回収する必要があるため、こちらも多大なエネルギーを消費する手段となっていた。さらに、共沸蒸留はプロセスや設備構成が複雑となり、第３成分を持ち込むことによる製品や排水への不純物の増加という問題も生じ、好ましくなかった。
【０００６】
なお、近年、蒸留塔のエネルギーを削減可能な技術として、自己熱再生型蒸留プロセスが提供されている。このプロセスでは、蒸留塔の塔頂から得られる留出蒸気を圧縮機で圧縮し、リボイラーの熱源と原料の予熱に用いることにより、既存の蒸留塔での総エネルギー投入量を大幅に削減することが可能である。一方、かかるプロセスを前記したようなイソプロパノール等のアルコール類と水の混合系からアルコール類を蒸留するプロセスとして用いた場合にも、同程度のエネルギー削減効果が期待できるが、塔頂から得られる成分はアルコール類と水の共沸混合物のままであり、改良が望まれていた。
【０００７】
本発明は前記のような問題を解決するためになされたものであり、装置の構成や工程が簡素で低コストであるとともに、エネルギー投入量を軽減できるため省エネルギー効果が高く、得られる成分の純度が高い共沸混合物の分離装置及び共沸混合物の分離方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明に係る共沸混合物の分離装置は、入力される共沸混合物を蒸留して留出蒸気と缶出液を得る蒸留塔と、得られた前記留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐する分岐部と、分岐される前の前記留出蒸気、または分岐された後の前記留出蒸気Ａ及び前記留出蒸気Ｂの少なくとも一方を圧縮、昇温する圧縮機と、圧縮、昇温された前記留出蒸気Ａを熱源としてリボイラーに供給する経路と、前記リボイラーを通過した前記留出蒸気Ａを前記蒸留塔に戻す経路と、圧縮、昇温された前記留出蒸気Ｂを通過させ、非透過成分と透過成分に分離する蒸気透過膜と、前記蒸気透過膜で分離された前記非透過成分を、入力される前記共沸混合物の加熱手段として送り出す経路と、前記非透過成分を出力、回収する第１出力部と、蒸留して得られた前記缶出液を出力、回収する第２出力部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る共沸混合物の分離装置は、前記した本発明において、前記圧縮機が、分岐された後の留出蒸気Ａが前記リボイラーに供給される前に、及び前記留出蒸気Ｂが前記蒸気透過膜を通過する前に圧縮、昇温するように配設されることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る共沸混合物の分離装置は、前記した本発明において、前記蒸気透過膜で分離された前記透過成分を前記蒸留塔に戻す経路を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る共沸混合物の分離装置は、前記した本発明において、前記蒸気透過膜がゼオライト膜であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る共沸混合物の分離方法は、入力される共沸混合物を蒸留塔により蒸留して留出蒸気と缶出液を得る工程と、得られた前記留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐する工程と、分岐される前の前記留出蒸気、または分岐された後の前記留出蒸気Ａ及び前記留出蒸気Ｂの少なくとも一方を圧縮、昇温する工程と、圧縮、昇温された前記留出蒸気Ａを熱源としてリボイラーに供給する工程と、前記リボイラーを通過した前記留出蒸気Ａを前記蒸留塔に戻す工程と、圧縮、昇温された前記留出蒸気Ｂを蒸気透過膜に通過させ、非透過成分と透過成分に分離する工程と、前記蒸気透過膜で分離された前記非透過成分を、入力される前記共沸混合物の加熱手段とした後、回収する工程と、前記蒸留により得られた前記缶出液を回収する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る共沸混合物の分離方法は、前記した本発明において、前記分岐された後の留出蒸気Ａが前記リボイラーに供給される前に、及び前記留出蒸気Ｂが前記蒸気透過膜を通過する前に圧縮、昇温されることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る共沸混合物の分離方法は、前記した本発明において、前記蒸気透過膜で分離された前記透過成分を前記蒸留塔に戻す工程を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る共沸混合物の分離方法は、前記した本発明において、前記蒸気透過膜がゼオライト膜であることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る共沸混合物の分離方法は、前記した本発明において、前記共沸混合物が、炭素数が２以上のアルコールと水からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、装置の構成や工程が簡素であるため設備コストを低く抑えることができるとともに、省エネルギー効果が高く、また、蒸気透過膜を用いて成分を分離しているので、純度の高い成分が得られる共沸混合物の分離装置及び共沸混合物の分離方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る共沸混合物の分離装置の一態様を示した概略図である。
【図２】従来の共沸混合物の分離装置の一態様を示した概略図である。
【図３】本発明に係る共沸混合物の分離方法の一例のフローチャートを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（Ｉ）共沸混合物の分離装置の構成：
以下、図１を用いて、本発明に係る共沸混合物の分離装置の一態様の構成を説明する。図１は、本発明に係る共沸混合物の分離装置の一態様を示した概略図である。図１に示す本実施形態に係る共沸混合物の分離装置１（以下、「分離装置１」とする場合がある。）は、蒸留塔２、分岐部３、第１圧縮機４１、第２圧縮機４２、リボイラー５、蒸気透過膜６、第１出力部７１、第２出力部７２、経路８０〜９０、を基本構成として備える。
【００２０】
本発明に係る分離装置１は、共沸混合物を構成する２成分（第１成分と、第１成分とは異なる成分であり、第１成分より沸点が高く、第１成分と共沸混合物を形成する第２成分）に分離するために用いられる。対象となる共沸混合物の組み合わせとしては、特に制限はないが、例えば、炭素数が２以上のアルコール（エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール等）と水との組み合わせや、芳香族化合物とアルコール、芳香族とパラフィン等の組み合わせが挙げられる。
【００２１】
蒸留塔２は、入力部７０から原料であり分離対象となる共沸混合物を入力する。分離対象となる共沸混合物は、第１成分（例えばエタノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）、ブタノール等といった炭素数が２以上のアルコール）と、かかる第１成分とは異なる成分であり、第１成分と共沸混合物を形成する第２成分（例えば水）を含む混合水溶液（流体）である。蒸留塔２は、入力された共沸混合物を、気体状態の第１成分を含む留出蒸気と、液体状態の第２成分からなる缶出液に分離する。なお、本実施形態では、入力部７０と蒸留塔２の間に予熱器１１が配設されており、導入される原料（共沸混合物）が適当な温度に予熱されることになる。予熱器１１としては、例えばスチーム予熱等の公知の加熱手段を用いたものを使用することができる。
【００２２】
蒸留塔２から出力された留出蒸気は、経路８０を通過して、分岐部３に到達する。分岐部３では、本実施形態にあっては、留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐する。分岐部３における留出蒸気の分岐の割合（留出蒸気Ａと留出蒸気Ｂの割合）は、リボイラー５の熱源として使用される分と製品として抜き出す分のバランスを考慮して適宜決定すればよいが、留出蒸気Ａ（リボイラー５の熱源として使用される分）は、概ね最小還流比の１．２〜２．０倍の範囲であることが好ましく、１．２〜１．５倍の範囲であることが特に好ましい。
【００２３】
分岐部３で分岐された留出蒸気のうち、留出蒸気Ａは、経路８１を通過して第１圧縮機４１に入力される。第１圧縮機４１は、入力された留出蒸気Ａを圧縮することにより昇温し、リボイラー５と熱交換可能な温度レベルとなるようにする。第１圧縮機４１としては、例えば、スクリュー型圧縮機やターボ式圧縮機等を用いることができる。第１圧縮機４１の圧縮比は、例えば、１．５〜５．０であることが好ましく、また、リボイラー５で凝縮した場合の温度が、蒸留塔２の塔底温度より５〜１０℃高くなるように設定することが好ましい。
【００２４】
第１圧縮機４１によって圧縮、昇温された留出蒸気Ａは、経路８２を通過して、リボイラー５に供給される。リボイラー５は、主として蒸留塔２の塔底の加熱を行うものであるが、本実施形態では、リボイラー５の熱源として、第１圧縮機４１でリボイラーと熱交換可能な温度レベルとなるように圧縮、昇温された留出蒸気Ａを用いることができるため、ボイラー等の外部の加熱媒体を別途配設する必要がなくなる。ここで、ボイラー等の加熱媒体で加熱するためのエネルギーは、留出蒸気Ａを第１圧縮機４１で圧縮するエネルギーと比較して非常に大きいため、本発明にあっては、リボイラー５の加熱に必要なエネルギーを大幅に低減することが可能となり、省エネルギー化を図ることができる。
【００２５】
リボイラー５を通過した留出蒸気Ａは、経路８３を通過した後、蒸留塔２で減圧されてフラッシュすることを防止するために、冷却器１２に導入されて冷却される。なお、経路８３には、図示しないバルブを設けて、経路８３を通過する留出蒸気Ａの圧力を、経路８０を通過する留出蒸気と同程度になるように調整する（低下させる）ようにしてもよい。冷却器１２によって冷却された留出蒸気Ａは、経路８４を通過して再び蒸留塔２に戻される。
【００２６】
一方、分岐部３で分岐された留出蒸気Ｂは、経路８５を通過して、第２圧縮機４２に入力される。第２圧縮機４２は、留出蒸気Ｂを、入力部７０から導入される原料（共沸混合物）の予熱が可能な温度レベルになるように圧縮、昇温する。第２圧縮機４２における圧縮比は、例えば、１．５〜５．０であることが好ましく、蒸気透過膜６の内部で蒸気の凝縮が起こらないように、留出蒸気Ｂの温度を１０〜５０℃上昇させることが好ましい。
【００２７】
第２圧縮機４２で圧縮、昇温された留出蒸気Ｂは、経路８６を通過して蒸気透過膜６に導入され、かかる蒸気透過膜６を通過する。蒸気透過膜６（蒸気透過分離膜とも呼ばれる。）は、蒸気成分（透過成分）を透過して取り出し、残りの成分（非透過成分）を分離して経路８８に送り出す。本実施形態に係る分離装置１にあっては、蒸気透過膜６の透過側の経路８７に真空ポンプ１３が配設されており、透過側が減圧されることになる。かかる真空ポンプ１３により、蒸気透過膜６の導入側（経路８６側）と透過側（経路８７側）に圧力差を生じさせ、この圧力差をドライビングフォースとして、蒸気透過膜６の選択特性にしたがって、蒸気となる成分を優先的に透過させることができる。
【００２８】
蒸気透過膜６の種類は、共沸混合物を構成する成分の種類や、導入される留出蒸気の温度、圧力等の諸条件により適宜決定すればよく、例えば、有機（高分子）系であれば、ポリイミド膜、ポリビニルアルコール膜、酢酸セルロース系の膜等が、無機系であれば、ゼオライト膜、炭素膜、セラミックス多孔膜等が挙げられる。また、例えば、共沸混合物を構成する成分として水を含む場合にあっては、水（水蒸気）を選択的に透過し、他の成分との分離を効率よく行うことができる水蒸気透過膜を用いることができる。特に、共沸混合物がイソプロパノール、エタノール等の炭素数が２以上のアルコールと水の２成分系の場合には、水（水蒸気）を透過し、イソプロパノール等と分離するゼオライト膜、ポリイミド膜等を水蒸気透過膜として使用することができ、イソプロパノール等と水の共沸混合物から効率的かつ選択的に水を透過させて分離することができる。
【００２９】
蒸気透過膜６の構成（メッシュ径、形状、多孔質・非多孔質等）は、特に制限はなく、前記した蒸気透過膜６の種類と同様、共沸混合物を構成する成分の種類や、導入される留出蒸気Ｂの温度、圧力等の諸条件により適宜決定すればよい。また、蒸気透過膜６は、多管式の、いわゆる分離膜モジュールのような形態で用いるようにしてもよい。
【００３０】
蒸気透過膜６で分離された成分のうち、非透過成分（例えば、共沸混合物がイソプロパノールと水の２成分系の場合におけるイソプロパノール）は、経路８８を通過して入力部７０に送り出され、原料である共沸混合物を予熱する加熱手段として利用される。かかる成分により原料が予熱されるため、予熱器１１の負荷を軽減できるとともに、リボイラー５が必要とする熱量も削減されることになる。かかる非透過成分は、入力部７０を通過後、第１出力部７１から系外に出力され、回収されることになる。
【００３１】
一方、蒸気透過膜６で分離された成分のうち、透過成分（例えば、共沸混合物がイソプロパノールと水の２成分系の場合における水）は、蒸気透過膜６の選択特性の程度にもよるが、若干ではあるが非透過成分（第１成分）が含まれている場合がある。本実施形態に係る分離装置１にあっては、透過成分（蒸気）が通過する経路８９に透過成分（蒸気）を凝縮するための凝縮器１４及びポンプ１５が配設されており、かかる凝縮器１４等で凝縮された透過成分が、再度蒸留塔２に戻されることになる。
【００３２】
また、蒸留塔２で分離された、第１成分をほとんど含まない液体状態の第２成分からなる缶出液は、蒸留塔２の塔底に連接された経路９０を通過して第２出力部７２から系外に出力され、回収されることになる。なお、系外に出される缶出液の一部は、リボイラー５で熱交換が行われる。
【００３３】
（II）共沸混合物の分離方法の一例：
以下、本実施形態に係る共沸混合物の分離装置１を用いた共沸混合物の分離方法を、分離の対象とする共沸混合物としてイソプロパノール（ｉｓｏｐｒｏｐｙｌ Ａｌｃｏｈｏｌ：ＩＰＡ）と水との共沸混合物とした例を挙げて、図３に示したフローチャートを用いて説明する。
【００３４】
まず、イソプロパノール（第１成分）と水（第２成分）からなる共沸混合物を、入力部７０から入力し、予熱器１１で予熱した後に蒸留塔２に入力する（ステップ１／Ｓ１）。蒸留塔２では、入力された共沸混合物を、気体状態の第１成分を含む留出蒸気と、液体状態の第２成分からなる缶出液に分離し（ステップ２／Ｓ２）、蒸留塔２の塔頂から留出蒸気を出力する。
【００３５】
蒸留塔２から出力された留出蒸気は、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐される（ステップ３／Ｓ３）。分岐された留出蒸気のうち、留出蒸気Ａは、第１圧縮機４１により、リボイラー５と熱交換可能な温度レベルとなるように圧縮、昇温される（ステップ４／Ｓ４）。昇温された留出蒸気Ａは、リボイラー５に供給され、リボイラー加熱用の熱源として利用される（ステップ５／Ｓ５）。リボイラー５を通過した留出蒸気Ａは、冷却器１２に導入されて冷却される。冷却器１２によって冷却された留出蒸気Ａは、再び蒸留塔２に戻される（ステップ６／Ｓ６）。
【００３６】
一方、分岐部３で分岐された留出蒸気Ｂは、第２圧縮機４２により、入力部７０から導入される原料（共沸混合物）の予熱が可能な温度レベルになるように圧縮、昇温される（ステップ７／Ｓ７）。第２圧縮機４２で圧縮、昇温された留出蒸気Ｂは、蒸気透過膜６に入力され、非透過成分（イソプロパノール：第１成分）と透過成分（水：第２成分）に分離する（ステップ８／Ｓ８）。なお、蒸気透過膜６の透過側に真空ポンプ１３等の減圧手段を配することにより、透過側が減圧され、これにより、蒸気透過膜６の導入側と透過側に圧力差を生じさせることができ、この圧力差をドライビングフォースとして蒸気透過膜６の特性に従い、蒸気となる成分を優先的に透過させることができる。
【００３７】
蒸気透過膜６で分離された成分のうち、非透過成分（イソプロパノール：第１成分）は、入力部７０に送り出され、原料を予熱する加熱手段として供給・利用される（ステップ９／Ｓ９）。かかる非透過成分は、入力部７０を通過後、第１出力部７１から系外に出力され、回収される（ステップ１０／Ｓ１０）。一方、蒸気透過膜６で分離された成分のうち、透過成分（水：第２成分）は、好ましくは凝縮された後、再度蒸留塔２に戻され（ステップ１１／Ｓ１１）、若干ではあるが含まれている可能性がある非透過成分（第１成分）を再度回収する。
【００３８】
また、蒸留塔２で分離された、第１成分をほとんど含まない液体状態の第２成分からなる缶出液は、蒸留塔２の塔底より第２出力部７２から系外に出力され、回収されることになる（ステップ１２／Ｓ１２）。なお、系外に出される缶出液の一部は、リボイラー５で熱交換が行われる。
【００３９】
以上説明した本発明に係る共沸混合物の分離装置１及び分離方法によれば、共沸混合物を構成成分に分離するに際し、蒸留塔２からの留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）とに分けて、リボイラー熱源用の蒸気を圧縮、昇温した後にリボイラー熱源として利用するので、リボイラー５を加熱するための加熱媒体を別途配設する必要がなくなり、いわゆる自己熱再生型蒸留を実施し、省エネルギー化を図ることができる。
【００４０】
また、製品抜き出し用の蒸気を圧縮、昇温した後に蒸気透過膜６で分離することにより、分離対象とする成分を選択的に分離できるとともに、既存プロセスで用いられている第３成分（エントレーナー、共沸ブレーカー）を用いた共沸蒸留が不要となり、不純物が少なく高純度な成分が得られる。
【００４１】
さらに、いわゆる自己熱再生型蒸留の留出蒸気の経路を改良し、これを蒸気透過膜６と組み合わせるという簡素な構成であるため、複数の蒸留塔２や第３成分を別途回収する操作も必要なく、既存の蒸留分離プロセスを簡素化することができる。
【００４２】
なお、以上説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の構成を備え、目的及び効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造及び形状等は、本発明の目的及び効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状等としても問題はない。本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形や改良は、本発明に含まれるものである。
【００４３】
例えば、前記した実施形態では、蒸留塔２からの留出蒸気を分岐部３でリボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐し、リボイラー５に供給する前の経路８１と経路８２の間に第１圧縮機４１を配設して留出蒸気Ａを圧縮、加熱し、また、蒸気透過膜６を通過する前の経路８５と経路８６の間に第２圧縮機４２を配設し、留出蒸気Ｂを圧縮、加熱する態様を示した。一方、留出蒸気（留出蒸気Ａ、留出蒸気Ｂ）の圧縮等の位置や圧縮機の台数はこれには限定されず、第１圧縮機４１及び第２圧縮機４２の代わりに、例えば、図１の経路８０に圧縮機を配設し、蒸留塔２からの留出蒸気を圧縮、昇温した状態として分岐部３で留出蒸気Ａと留出蒸気Ｂに分岐し、留出蒸気Ａをリボイラー５に供給、留出蒸気Ｂを蒸気透過膜６に導入、通過させるようにしてもよい。加えて、このように分岐前の留出蒸気を圧縮、昇温した後に分岐部３で留出蒸気Ａ及び留出蒸気Ｂに分岐して、例えば、留出蒸気Ａがリボイラー５に供給する前の経路８１と経路８２の間に第１圧縮機４１を配設し、また、例えば、留出蒸気Ｂが蒸気透過膜６を通過する前の経路８５と経路８６の間に第２圧縮機４２を配設し、留出蒸気Ａと留出蒸気Ｂをさらに圧縮、昇温するようにして、留出蒸気Ａをリボイラー５に供給、留出蒸気Ｂを蒸気透過膜６に導入、通過させるようにしてもよい。
【００４４】
前記した実施形態では、蒸気透過膜６で分離された透過成分を、経路８９を通過させて再び蒸留塔２に戻す態様を示したが、蒸気透過膜６の分離性能が十分な場合等にあっては、透過成分を蒸留塔２に戻さずに、系外に出して回収するようにしてもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例及び比較例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例等に何ら限定されるものではない。
【００４６】
［実施例１及び比較例１］
共沸混合物をイソプロパノールと水（入力時における共沸混合物全体に対するイソプロパノールの含有量 ８７．１質量％、水の含有量 １２．９質量％）として、図１（実施例１）及び図２（比較例１）に示した分離装置により共沸混合物の分離操作を行い、比較、評価した。
【００４７】
なお、実施例１及び比較例１における蒸留塔、圧縮機の基本的な条件は下記のとおりであり、なお、蒸留塔は実施例１（図１）、比較例１（図２）ともＳＵＳ３０４製の蒸留塔である。図１のＡ〜Ｋ、図２のａ〜ｆにおける温度、圧力、流量、イソプロパノールと水の組成を表１（実施例１）及び表２（比較例１）にそれぞれ示す。また、両者の使用する総エネルギー（熱量）の比較を表３に示す。
【００４８】
（装置の仕様：実施例1）
蒸留塔２：塔径 １００ｍｍ、高さ ２０ｍ、充填物 ＳＵＳ３０４製 ５／８ボールリング
第１圧縮機４１、第２圧縮機４２：レシプロ型の蒸気圧縮機
蒸気透過膜６：ゼオライト膜（ダイヤメンブレン／三菱化学（株）製）
【００４９】
（装置の仕様：比較例１）
蒸留塔（共沸塔）９１：塔径 １００ｍｍ、高さ ２０ｍ、充填物 ＳＵＳ３０４製 ５／８ボールリング
蒸留塔（脱水塔）９２：塔径 ５０ｍｍ、高さ ２０ｍ、充填物 ＳＵＳ３０４製 ５／８ボールリング
蒸留塔（排水ストリッパー）９３：塔径 ５０ｍｍ、高さ ２０ｍ、充填物 ＳＵＳ３０４製 ５／８ボールリング
圧縮機９４〜９６：レシプロ型の蒸気圧縮機
エントレーナーの種類：ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン
【００５０】
（結果：実施例１）
【表１】
【００５１】
（結果：比較例１）
【表２】
【００５２】
（使用する総エネルギーの比較）
【表３】
【００５３】
表１に示すように、図１に示した本発明に係る装置による分離方法を用いた場合、純度がほぼ１００％のイソプロパノールと水を得ることができた。また、表３に示すように、図１に示した本発明に係る装置により分離方法を用いた場合、図２に示した従来の装置を用いた蒸留分離方法と比較して、総エネルギー投入量を約１／５に抑えることが可能であることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、例えば、エタノール、イソプロパノール等の炭素数が２以上のアルコール類と水との共沸混合物から高純度のアルコール類を分離するための手段として有利に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ …… 共沸混合物の分離装置
１１…… 予熱器
１２…… 冷却器
１３…… 真空ポンプ
１４…… 凝縮器
１５…… ポンプ
２ …… 蒸留塔
３ …… 分岐部
４１…… 第１圧縮機
４２…… 第２圧縮機
５ …… リボイラー
６ …… 蒸気透過膜
７０…… 入力部
７１…… 第１出力部
７２…… 第２出力部
８０〜９０…… 経路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共沸混合物の分離装置及び共沸混合物の分離方法に関する。さらに詳しくは、装置の構成や工程が簡素であるため設備コストを低く抑えることができ、省エネルギー効果が高く、また、純度の高い成分が得られる共沸混合物の分離装置及び共沸混合物の分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エタノールやイソプロパノール等のアルコール類は、その製造工程において水を含んだ混合水溶液として得られるが、かかる混合水溶液におけるアルコール類は低濃度であり、そのまま製品とするには問題があった。このような問題から、高純度なアルコール類を得るために、分離工程により脱水されているが、かかる分離工程における脱水操作には、一般的には蒸留分離が用いられており、多大なエネルギーを消費することになっていた。また、エタノールやイソプロパノールのような炭素数が２以上のアルコール類は水と共沸混合物を形成するため、蒸留分離工程では、まず共沸混合物まで濃縮し、それ以上に脱水が必要な場合は、エントレーナー（共沸ブレーカーとも呼ばれる。）等の第３成分を添加して、これを脱水してアルコール類を濃縮する共沸蒸留が行われている（例えば、特許文献１を参照。）。第３成分であるエントレーナー（共沸ブレーカー）としては、例えば、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン等が用いられている。
【０００３】
図２は、従来の共沸混合物の分離装置１００の一態様を示した概略図である。図２に示す共沸混合物の分離装置１００は、３台の蒸留塔９１〜９３、リボイラー９４〜９６、液々分離器９７、冷却器９８、９９を備える。反応工程より生成した低濃度のイソプロパノールと水の共沸混合物は、１塔目の蒸留塔（共沸塔）９１に導入され、例えば、イソプロパノール濃度が約８５質量％の共沸混合物に濃縮される。蒸留塔（共沸塔）９１の塔頂から得られる共沸混合物は、２塔目の蒸留塔（脱水塔）９２に送られ、適当なエントレーナーにより脱水されることにより（共沸蒸留）、蒸留塔（脱水塔）９２の塔底から高純度のイソプロパノールが得られることになる。なお、塔頂のエントレーナーと水は凝縮された後に液々分離器９７で液々分離され、液々分離後の水相は、３塔目の蒸留塔（排水ストリッパー）９３により処理されて、塔底より共沸混合物中に含まれていた水が得られることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５５８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、蒸留分離はそれだけで多大なエネルギーを消費することに加え、前記した従来の分離装置では、図２に示した構成に代表されるように複数（図２では３台）の蒸留塔が必要であり、設備コストがかかるものであった。特に、図２に示したような装置では、３つの蒸留塔におけるリボイラーへの総エネルギー投入量が非常に大きいことや、第３成分であるエントレーナーを含んだ系を共沸蒸留し、さらにこのエントレーナーを別途回収する必要があるため、こちらも多大なエネルギーを消費する手段となっていた。さらに、共沸蒸留はプロセスや設備構成が複雑となり、第３成分を持ち込むことによる製品や排水への不純物の増加という問題も生じ、好ましくなかった。
【０００６】
なお、近年、蒸留塔のエネルギーを削減可能な技術として、自己熱再生型蒸留プロセスが提供されている。このプロセスでは、蒸留塔の塔頂から得られる留出蒸気を圧縮機で圧縮し、リボイラーの熱源と原料の予熱に用いることにより、既存の蒸留塔での総エネルギー投入量を大幅に削減することが可能である。一方、かかるプロセスを前記したようなイソプロパノール等のアルコール類と水の混合系からアルコール類を蒸留するプロセスとして用いた場合にも、同程度のエネルギー削減効果が期待できるが、塔頂から得られる成分はアルコール類と水の共沸混合物のままであり、改良が望まれていた。
【０００７】
本発明は前記のような問題を解決するためになされたものであり、装置の構成や工程が簡素で低コストであるとともに、エネルギー投入量を軽減できるため省エネルギー効果が高く、得られる成分の純度が高い共沸混合物の分離装置及び共沸混合物の分離方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明に係る共沸混合物の分離装置は、入力される共沸混合物を蒸留して留出蒸気と缶出液を得る蒸留塔と、得られた前記留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐する分岐部と、分岐される前の前記留出蒸気、または分岐された後の前記留出蒸気Ａ及び前記留出蒸気Ｂの少なくとも一方を圧縮、昇温する圧縮機と、圧縮、昇温された前記留出蒸気Ａを熱源としてリボイラーに供給する経路と、前記リボイラーを通過した前記留出蒸気Ａを前記蒸留塔に戻す経路と、圧縮、昇温された前記留出蒸気Ｂを通過させ、非透過成分と透過成分に分離する蒸気透過膜と、前記蒸気透過膜で分離された前記非透過成分を、入力される前記共沸混合物の加熱手段として送り出す経路と、前記非透過成分を出力、回収する第１出力部と、蒸留して得られた前記缶出液を出力、回収する第２出力部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る共沸混合物の分離装置は、前記した本発明において、前記圧縮機が、分岐された後の留出蒸気Ａが前記リボイラーに供給される前に、及び前記留出蒸気Ｂが前記蒸気透過膜を通過する前に圧縮、昇温するように配設されることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る共沸混合物の分離装置は、前記した本発明において、前記蒸気透過膜で分離された前記透過成分を前記蒸留塔に戻す経路を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る共沸混合物の分離装置は、前記した本発明において、前記蒸気透過膜がゼオライト膜であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る共沸混合物の分離方法は、入力される共沸混合物を蒸留塔により蒸留して留出蒸気と缶出液を得る工程と、得られた前記留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐する工程と、分岐される前の前記留出蒸気、または分岐された後の前記留出蒸気Ａ及び前記留出蒸気Ｂの少なくとも一方を圧縮、昇温する工程と、圧縮、昇温された前記留出蒸気Ａを熱源としてリボイラーに供給する工程と、前記リボイラーを通過した前記留出蒸気Ａを前記蒸留塔に戻す工程と、圧縮、昇温された前記留出蒸気Ｂを蒸気透過膜に通過させ、非透過成分と透過成分に分離する工程と、前記蒸気透過膜で分離された前記非透過成分を、入力される前記共沸混合物の加熱手段とした後、回収する工程と、前記蒸留により得られた前記缶出液を回収する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る共沸混合物の分離方法は、前記した本発明において、前記分岐された後の留出蒸気Ａが前記リボイラーに供給される前に、及び前記留出蒸気Ｂが前記蒸気透過膜を通過する前に圧縮、昇温されることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る共沸混合物の分離方法は、前記した本発明において、前記蒸気透過膜で分離された前記透過成分を前記蒸留塔に戻す工程を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る共沸混合物の分離方法は、前記した本発明において、前記蒸気透過膜がゼオライト膜であることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る共沸混合物の分離方法は、前記した本発明において、前記共沸混合物が、炭素数が２以上のアルコールと水からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、装置の構成や工程が簡素であるため設備コストを低く抑えることができるとともに、省エネルギー効果が高く、また、蒸気透過膜を用いて成分を分離しているので、純度の高い成分が得られる共沸混合物の分離装置及び共沸混合物の分離方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る共沸混合物の分離装置の一態様を示した概略図である。
【図２】従来の共沸混合物の分離装置の一態様を示した概略図である。
【図３】本発明に係る共沸混合物の分離方法の一例のフローチャートを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（Ｉ）共沸混合物の分離装置の構成：
以下、図１を用いて、本発明に係る共沸混合物の分離装置の一態様の構成を説明する。図１は、本発明に係る共沸混合物の分離装置の一態様を示した概略図である。図１に示す本実施形態に係る共沸混合物の分離装置１（以下、「分離装置１」とする場合がある。）は、蒸留塔２、分岐部３、第１圧縮機４１、第２圧縮機４２、リボイラー５、蒸気透過膜６、第１出力部７１、第２出力部７２、経路８０〜９０、を基本構成として備える。
【００２０】
本発明に係る分離装置１は、共沸混合物を構成する２成分（第１成分と、第１成分とは異なる成分であり、第１成分より沸点が高く、第１成分と共沸混合物を形成する第２成分）に分離するために用いられる。対象となる共沸混合物の組み合わせとしては、特に制限はないが、例えば、炭素数が２以上のアルコール（エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール等）と水との組み合わせや、芳香族化合物とアルコール、芳香族とパラフィン等の組み合わせが挙げられる。
【００２１】
蒸留塔２は、入力部７０から原料であり分離対象となる共沸混合物を入力する。分離対象となる共沸混合物は、第１成分（例えばエタノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）、ブタノール等といった炭素数が２以上のアルコール）と、かかる第１成分とは異なる成分であり、第１成分と共沸混合物を形成する第２成分（例えば水）を含む混合水溶液（流体）である。蒸留塔２は、入力された共沸混合物を、気体状態の第１成分を含む留出蒸気と、液体状態の第２成分からなる缶出液に分離する。なお、本実施形態では、入力部７０と蒸留塔２の間に予熱器１１が配設されており、導入される原料（共沸混合物）が適当な温度に予熱されることになる。予熱器１１としては、例えばスチーム予熱等の公知の加熱手段を用いたものを使用することができる。
【００２２】
蒸留塔２から出力された留出蒸気は、経路８０を通過して、分岐部３に到達する。分岐部３では、本実施形態にあっては、留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐する。分岐部３における留出蒸気の分岐の割合（留出蒸気Ａと留出蒸気Ｂの割合）は、リボイラー５の熱源として使用される分と製品として抜き出す分のバランスを考慮して適宜決定すればよいが、留出蒸気Ａ（リボイラー５の熱源として使用される分）は、概ね最小還流比の１．２〜２．０倍の範囲であることが好ましく、１．２〜１．５倍の範囲であることが特に好ましい。
【００２３】
分岐部３で分岐された留出蒸気のうち、留出蒸気Ａは、経路８１を通過して第１圧縮機４１に入力される。第１圧縮機４１は、入力された留出蒸気Ａを圧縮することにより昇温し、リボイラー５と熱交換可能な温度レベルとなるようにする。第１圧縮機４１としては、例えば、スクリュー型圧縮機やターボ式圧縮機等を用いることができる。第１圧縮機４１の圧縮比は、例えば、１．５〜５．０であることが好ましく、また、リボイラー５で凝縮した場合の温度が、蒸留塔２の塔底温度より５〜１０℃高くなるように設定することが好ましい。
【００２４】
第１圧縮機４１によって圧縮、昇温された留出蒸気Ａは、経路８２を通過して、リボイラー５に供給される。リボイラー５は、主として蒸留塔２の塔底の加熱を行うものであるが、本実施形態では、リボイラー５の熱源として、第１圧縮機４１でリボイラーと熱交換可能な温度レベルとなるように圧縮、昇温された留出蒸気Ａを用いることができるため、ボイラー等の外部の加熱媒体を別途配設する必要がなくなる。ここで、ボイラー等の加熱媒体で加熱するためのエネルギーは、留出蒸気Ａを第１圧縮機４１で圧縮するエネルギーと比較して非常に大きいため、本発明にあっては、リボイラー５の加熱に必要なエネルギーを大幅に低減することが可能となり、省エネルギー化を図ることができる。
【００２５】
リボイラー５を通過した留出蒸気Ａは、経路８３を通過した後、蒸留塔２で減圧されてフラッシュすることを防止するために、冷却器１２に導入されて冷却される。なお、経路８３には、図示しないバルブを設けて、経路８３を通過する留出蒸気Ａの圧力を、経路８０を通過する留出蒸気と同程度になるように調整する（低下させる）ようにしてもよい。冷却器１２によって冷却された留出蒸気Ａは、経路８４を通過して再び蒸留塔２に戻される。
【００２６】
一方、分岐部３で分岐された留出蒸気Ｂは、経路８５を通過して、第２圧縮機４２に入力される。第２圧縮機４２は、留出蒸気Ｂを、入力部７０から導入される原料（共沸混合物）の予熱が可能な温度レベルになるように圧縮、昇温する。第２圧縮機４２における圧縮比は、例えば、１．５〜５．０であることが好ましく、蒸気透過膜６の内部で蒸気の凝縮が起こらないように、留出蒸気Ｂの温度を１０〜５０℃上昇させることが好ましい。
【００２７】
第２圧縮機４２で圧縮、昇温された留出蒸気Ｂは、経路８６を通過して蒸気透過膜６に導入され、かかる蒸気透過膜６を通過する。蒸気透過膜６（蒸気透過分離膜とも呼ばれる。）は、蒸気成分（透過成分）を透過して取り出し、残りの成分（非透過成分）を分離して経路８８に送り出す。本実施形態に係る分離装置１にあっては、蒸気透過膜６の透過側の経路８７に真空ポンプ１３が配設されており、透過側が減圧されることになる。かかる真空ポンプ１３により、蒸気透過膜６の導入側（経路８６側）と透過側（経路８７側）に圧力差を生じさせ、この圧力差をドライビングフォースとして、蒸気透過膜６の選択特性にしたがって、蒸気となる成分を優先的に透過させることができる。
【００２８】
蒸気透過膜６の種類は、共沸混合物を構成する成分の種類や、導入される留出蒸気の温度、圧力等の諸条件により適宜決定すればよく、例えば、有機（高分子）系であれば、ポリイミド膜、ポリビニルアルコール膜、酢酸セルロース系の膜等が、無機系であれば、ゼオライト膜、炭素膜、セラミックス多孔膜等が挙げられる。また、例えば、共沸混合物を構成する成分として水を含む場合にあっては、水（水蒸気）を選択的に透過し、他の成分との分離を効率よく行うことができる水蒸気透過膜を用いることができる。特に、共沸混合物がイソプロパノール、エタノール等の炭素数が２以上のアルコールと水の２成分系の場合には、水（水蒸気）を透過し、イソプロパノール等と分離するゼオライト膜、ポリイミド膜等を水蒸気透過膜として使用することができ、イソプロパノール等と水の共沸混合物から効率的かつ選択的に水を透過させて分離することができる。
【００２９】
蒸気透過膜６の構成（メッシュ径、形状、多孔質・非多孔質等）は、特に制限はなく、前記した蒸気透過膜６の種類と同様、共沸混合物を構成する成分の種類や、導入される留出蒸気Ｂの温度、圧力等の諸条件により適宜決定すればよい。また、蒸気透過膜６は、多管式の、いわゆる分離膜モジュールのような形態で用いるようにしてもよい。
【００３０】
蒸気透過膜６で分離された成分のうち、非透過成分（例えば、共沸混合物がイソプロパノールと水の２成分系の場合におけるイソプロパノール）は、経路８８を通過して入力部７０に送り出され、原料である共沸混合物を予熱する加熱手段として利用される。かかる成分により原料が予熱されるため、予熱器１１の負荷を軽減できるとともに、リボイラー５が必要とする熱量も削減されることになる。かかる非透過成分は、入力部７０を通過後、第１出力部７１から系外に出力され、回収されることになる。
【００３１】
一方、蒸気透過膜６で分離された成分のうち、透過成分（例えば、共沸混合物がイソプロパノールと水の２成分系の場合における水）は、蒸気透過膜６の選択特性の程度にもよるが、若干ではあるが非透過成分（第１成分）が含まれている場合がある。本実施形態に係る分離装置１にあっては、透過成分（蒸気）が通過する経路８９に透過成分（蒸気）を凝縮するための凝縮器１４及びポンプ１５が配設されており、かかる凝縮器１４等で凝縮された透過成分が、再度蒸留塔２に戻されることになる。
【００３２】
また、蒸留塔２で分離された、第１成分をほとんど含まない液体状態の第２成分からなる缶出液は、蒸留塔２の塔底に連接された経路９０を通過して第２出力部７２から系外に出力され、回収されることになる。なお、系外に出される缶出液の一部は、リボイラー５で熱交換が行われる。
【００３３】
（II）共沸混合物の分離方法の一例：
以下、本実施形態に係る共沸混合物の分離装置１を用いた共沸混合物の分離方法を、分離の対象とする共沸混合物としてイソプロパノール（ｉｓｏｐｒｏｐｙｌ Ａｌｃｏｈｏｌ：ＩＰＡ）と水との共沸混合物とした例を挙げて、図３に示したフローチャートを用いて説明する。
【００３４】
まず、イソプロパノール（第１成分）と水（第２成分）からなる共沸混合物を、入力部７０から入力し、予熱器１１で予熱した後に蒸留塔２に入力する（ステップ１／Ｓ１）。蒸留塔２では、入力された共沸混合物を、気体状態の第１成分を含む留出蒸気と、液体状態の第２成分からなる缶出液に分離し（ステップ２／Ｓ２）、蒸留塔２の塔頂から留出蒸気を出力する。
【００３５】
蒸留塔２から出力された留出蒸気は、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐される（ステップ３／Ｓ３）。分岐された留出蒸気のうち、留出蒸気Ａは、第１圧縮機４１により、リボイラー５と熱交換可能な温度レベルとなるように圧縮、昇温される（ステップ４／Ｓ４）。昇温された留出蒸気Ａは、リボイラー５に供給され、リボイラー加熱用の熱源として利用される（ステップ５／Ｓ５）。リボイラー５を通過した留出蒸気Ａは、冷却器１２に導入されて冷却される。冷却器１２によって冷却された留出蒸気Ａは、再び蒸留塔２に戻される（ステップ６／Ｓ６）。
【００３６】
一方、分岐部３で分岐された留出蒸気Ｂは、第２圧縮機４２により、入力部７０から導入される原料（共沸混合物）の予熱が可能な温度レベルになるように圧縮、昇温される（ステップ７／Ｓ７）。第２圧縮機４２で圧縮、昇温された留出蒸気Ｂは、蒸気透過膜６に入力され、非透過成分（イソプロパノール：第１成分）と透過成分（水：第２成分）に分離する（ステップ８／Ｓ８）。なお、蒸気透過膜６の透過側に真空ポンプ１３等の減圧手段を配することにより、透過側が減圧され、これにより、蒸気透過膜６の導入側と透過側に圧力差を生じさせることができ、この圧力差をドライビングフォースとして蒸気透過膜６の特性に従い、蒸気となる成分を優先的に透過させることができる。
【００３７】
蒸気透過膜６で分離された成分のうち、非透過成分（イソプロパノール：第１成分）は、入力部７０に送り出され、原料を予熱する加熱手段として供給・利用される（ステップ９／Ｓ９）。かかる非透過成分は、入力部７０を通過後、第１出力部７１から系外に出力され、回収される（ステップ１０／Ｓ１０）。一方、蒸気透過膜６で分離された成分のうち、透過成分（水：第２成分）は、好ましくは凝縮された後、再度蒸留塔２に戻され（ステップ１１／Ｓ１１）、若干ではあるが含まれている可能性がある非透過成分（第１成分）を再度回収する。
【００３８】
また、蒸留塔２で分離された、第１成分をほとんど含まない液体状態の第２成分からなる缶出液は、蒸留塔２の塔底より第２出力部７２から系外に出力され、回収されることになる（ステップ１２／Ｓ１２）。なお、系外に出される缶出液の一部は、リボイラー５で熱交換が行われる。
【００３９】
以上説明した本発明に係る共沸混合物の分離装置１及び分離方法によれば、共沸混合物を構成成分に分離するに際し、蒸留塔２からの留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）とに分けて、リボイラー熱源用の蒸気を圧縮、昇温した後にリボイラー熱源として利用するので、リボイラー５を加熱するための加熱媒体を別途配設する必要がなくなり、いわゆる自己熱再生型蒸留を実施し、省エネルギー化を図ることができる。
【００４０】
また、製品抜き出し用の蒸気を圧縮、昇温した後に蒸気透過膜６で分離することにより、分離対象とする成分を選択的に分離できるとともに、既存プロセスで用いられている第３成分（エントレーナー、共沸ブレーカー）を用いた共沸蒸留が不要となり、不純物が少なく高純度な成分が得られる。
【００４１】
さらに、いわゆる自己熱再生型蒸留の留出蒸気の経路を改良し、これを蒸気透過膜６と組み合わせるという簡素な構成であるため、複数の蒸留塔２や第３成分を別途回収する操作も必要なく、既存の蒸留分離プロセスを簡素化することができる。
【００４２】
なお、以上説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の構成を備え、目的及び効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造及び形状等は、本発明の目的及び効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状等としても問題はない。本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形や改良は、本発明に含まれるものである。
【００４３】
例えば、前記した実施形態では、蒸留塔２からの留出蒸気を分岐部３でリボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐し、リボイラー５に供給する前の経路８１と経路８２の間に第１圧縮機４１を配設して留出蒸気Ａを圧縮、加熱し、また、蒸気透過膜６を通過する前の経路８５と経路８６の間に第２圧縮機４２を配設し、留出蒸気Ｂを圧縮、加熱する態様を示した。一方、留出蒸気（留出蒸気Ａ、留出蒸気Ｂ）の圧縮等の位置や圧縮機の台数はこれには限定されず、第１圧縮機４１及び第２圧縮機４２の代わりに、例えば、図１の経路８０に圧縮機を配設し、蒸留塔２からの留出蒸気を圧縮、昇温した状態として分岐部３で留出蒸気Ａと留出蒸気Ｂに分岐し、留出蒸気Ａをリボイラー５に供給、留出蒸気Ｂを蒸気透過膜６に導入、通過させるようにしてもよい。加えて、このように分岐前の留出蒸気を圧縮、昇温した後に分岐部３で留出蒸気Ａ及び留出蒸気Ｂに分岐して、例えば、留出蒸気Ａがリボイラー５に供給する前の経路８１と経路８２の間に第１圧縮機４１を配設し、また、例えば、留出蒸気Ｂが蒸気透過膜６を通過する前の経路８５と経路８６の間に第２圧縮機４２を配設し、留出蒸気Ａと留出蒸気Ｂをさらに圧縮、昇温するようにして、留出蒸気Ａをリボイラー５に供給、留出蒸気Ｂを蒸気透過膜６に導入、通過させるようにしてもよい。
【００４４】
前記した実施形態では、蒸気透過膜６で分離された透過成分を、経路８９を通過させて再び蒸留塔２に戻す態様を示したが、蒸気透過膜６の分離性能が十分な場合等にあっては、透過成分を蒸留塔２に戻さずに、系外に出して回収するようにしてもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例及び比較例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例等に何ら限定されるものではない。
【００４６】
［実施例１及び比較例１］
共沸混合物をイソプロパノールと水（入力時における共沸混合物全体に対するイソプロパノールの含有量 ８７．１質量％、水の含有量 １２．９質量％）として、図１（実施例１）及び図２（比較例１）に示した分離装置により共沸混合物の分離操作を行い、比較、評価した。
【００４７】
なお、実施例１及び比較例１における蒸留塔、圧縮機の基本的な条件は下記のとおりであり、なお、蒸留塔は実施例１（図１）、比較例１（図２）ともＳＵＳ３０４製の蒸留塔である。図１のＡ〜Ｋ、図２のａ〜ｆにおける温度、圧力、流量、イソプロパノールと水の組成を表１（実施例１）及び表２（比較例１）にそれぞれ示す。また、両者の使用する総エネルギー（熱量）の比較を表３に示す。
【００４８】
（装置の仕様：実施例1）
蒸留塔２：塔径 １００ｍｍ、高さ ２０ｍ、充填物 ＳＵＳ３０４製 ５／８ボールリング
第１圧縮機４１、第２圧縮機４２：レシプロ型の蒸気圧縮機
蒸気透過膜６：ゼオライト膜（ダイヤメンブレン／三菱化学（株）製）
【００４９】
（装置の仕様：比較例１）
蒸留塔（共沸塔）９１：塔径 １００ｍｍ、高さ ２０ｍ、充填物 ＳＵＳ３０４製 ５／８ボールリング
蒸留塔（脱水塔）９２：塔径 ５０ｍｍ、高さ ２０ｍ、充填物 ＳＵＳ３０４製 ５／８ボールリング
蒸留塔（排水ストリッパー）９３：塔径 ５０ｍｍ、高さ ２０ｍ、充填物 ＳＵＳ３０４製 ５／８ボールリング
圧縮機９４〜９６：レシプロ型の蒸気圧縮機
エントレーナーの種類：ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン
【００５０】
（結果：実施例１）
【表１】
【００５１】
（結果：比較例１）
【表２】
【００５２】
（使用する総エネルギーの比較）
【表３】
【００５３】
表１に示すように、図１に示した本発明に係る装置による分離方法を用いた場合、純度がほぼ１００％のイソプロパノールと水を得ることができた。また、表３に示すように、図１に示した本発明に係る装置により分離方法を用いた場合、図２に示した従来の装置を用いた蒸留分離方法と比較して、総エネルギー投入量を約１／５に抑えることが可能であることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、例えば、エタノール、イソプロパノール等の炭素数が２以上のアルコール類と水との共沸混合物から高純度のアルコール類を分離するための手段として有利に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ …… 共沸混合物の分離装置
１１…… 予熱器
１２…… 冷却器
１３…… 真空ポンプ
１４…… 凝縮器
１５…… ポンプ
２ …… 蒸留塔
３ …… 分岐部
４１…… 第１圧縮機
４２…… 第２圧縮機
５ …… リボイラー
６ …… 蒸気透過膜
７０…… 入力部
７１…… 第１出力部
７２…… 第２出力部
８０〜９０…… 経路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される共沸混合物を蒸留して留出蒸気と缶出液を得る蒸留塔と、
得られた前記留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐する分岐部と、
分岐される前の前記留出蒸気、または分岐された後の前記留出蒸気Ａ及び前記留出蒸気Ｂの少なくとも一方を圧縮、昇温する圧縮機と、
圧縮、昇温された前記留出蒸気Ａを熱源としてリボイラーに供給する経路と、
前記リボイラーを通過した前記留出蒸気Ａを前記蒸留塔に戻す経路と、
圧縮、昇温された前記留出蒸気Ｂを通過させ、非透過成分と透過成分に分離する蒸気透過膜と、
前記蒸気透過膜で分離された前記非透過成分を、入力される前記共沸混合物の加熱手段として送り出す経路と、
前記非透過成分を出力、回収する第１出力部と、
蒸留して得られた前記缶出液を出力、回収する第２出力部と、
を備えることを特徴とする共沸混合物の分離装置。
【請求項２】
前記圧縮機が、分岐された後の留出蒸気Ａが前記リボイラーに供給される前に、及び前記留出蒸気Ｂが前記蒸気透過膜を通過する前に圧縮、昇温するように配設されることを特徴とする請求項１に記載の共沸混合物の分離装置。
【請求項３】
前記蒸気透過膜で分離された前記透過成分を前記蒸留塔に戻す経路を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の共沸混合物の分離装置。
【請求項４】
前記蒸気透過膜がゼオライト膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の共沸混合物の分離装置。
【請求項５】
入力される共沸混合物を蒸留塔により蒸留して留出蒸気と缶出液を得る工程と、
得られた前記留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐する工程と、
分岐される前の前記留出蒸気、または分岐された後の前記留出蒸気Ａ及び前記留出蒸気Ｂの少なくとも一方を圧縮、昇温する工程と、
圧縮、昇温された前記留出蒸気Ａを熱源としてリボイラーに供給する工程と、
前記リボイラーを通過した前記留出蒸気Ａを前記蒸留塔に戻す工程と、
圧縮、昇温された前記留出蒸気Ｂを蒸気透過膜に通過させ、非透過成分と透過成分に分離する工程と、
前記蒸気透過膜で分離された前記非透過成分を、入力される前記共沸混合物の加熱手段とした後、回収する工程と、
前記蒸留により得られた前記缶出液を回収する工程と、
を備えることを特徴とする共沸混合物の分離方法。
【請求項６】
前記分岐された後の留出蒸気Ａが前記リボイラーに供給される前に、及び前記留出蒸気Ｂが前記蒸気透過膜を通過する前に圧縮、昇温されることを特徴とする請求項５に記載の共沸混合物の分離方法。
【請求項７】
前記蒸気透過膜で分離された前記透過成分を前記蒸留塔に戻す工程を備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の共沸混合物の分離方法。
【請求項８】
前記蒸気透過膜がゼオライト膜であることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の共沸混合物の分離方法。
【請求項９】
前記共沸混合物が、炭素数が２以上のアルコールと水からなることを特徴とする請求項５ないし請求項８のいずれかに記載の共沸混合物の分離方法。
【請求項１】
入力される共沸混合物を蒸留して留出蒸気と缶出液を得る蒸留塔と、
得られた前記留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐する分岐部と、
分岐される前の前記留出蒸気、または分岐された後の前記留出蒸気Ａ及び前記留出蒸気Ｂの少なくとも一方を圧縮、昇温する圧縮機と、
圧縮、昇温された前記留出蒸気Ａを熱源としてリボイラーに供給する経路と、
前記リボイラーを通過した前記留出蒸気Ａを前記蒸留塔に戻す経路と、
圧縮、昇温された前記留出蒸気Ｂを通過させ、非透過成分と透過成分に分離する蒸気透過膜と、
前記蒸気透過膜で分離された前記非透過成分を、入力される前記共沸混合物の加熱手段として送り出す経路と、
前記非透過成分を出力、回収する第１出力部と、
蒸留して得られた前記缶出液を出力、回収する第２出力部と、
を備えることを特徴とする共沸混合物の分離装置。
【請求項２】
前記圧縮機が、分岐された後の留出蒸気Ａが前記リボイラーに供給される前に、及び前記留出蒸気Ｂが前記蒸気透過膜を通過する前に圧縮、昇温するように配設されることを特徴とする請求項１に記載の共沸混合物の分離装置。
【請求項３】
前記蒸気透過膜で分離された前記透過成分を前記蒸留塔に戻す経路を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の共沸混合物の分離装置。
【請求項４】
前記蒸気透過膜がゼオライト膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の共沸混合物の分離装置。
【請求項５】
入力される共沸混合物を蒸留塔により蒸留して留出蒸気と缶出液を得る工程と、
得られた前記留出蒸気を、リボイラー熱源用の蒸気（留出蒸気Ａ）と製品抜き出し用の蒸気（留出蒸気Ｂ）に分岐する工程と、
分岐される前の前記留出蒸気、または分岐された後の前記留出蒸気Ａ及び前記留出蒸気Ｂの少なくとも一方を圧縮、昇温する工程と、
圧縮、昇温された前記留出蒸気Ａを熱源としてリボイラーに供給する工程と、
前記リボイラーを通過した前記留出蒸気Ａを前記蒸留塔に戻す工程と、
圧縮、昇温された前記留出蒸気Ｂを蒸気透過膜に通過させ、非透過成分と透過成分に分離する工程と、
前記蒸気透過膜で分離された前記非透過成分を、入力される前記共沸混合物の加熱手段とした後、回収する工程と、
前記蒸留により得られた前記缶出液を回収する工程と、
を備えることを特徴とする共沸混合物の分離方法。
【請求項６】
前記分岐された後の留出蒸気Ａが前記リボイラーに供給される前に、及び前記留出蒸気Ｂが前記蒸気透過膜を通過する前に圧縮、昇温されることを特徴とする請求項５に記載の共沸混合物の分離方法。
【請求項７】
前記蒸気透過膜で分離された前記透過成分を前記蒸留塔に戻す工程を備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の共沸混合物の分離方法。
【請求項８】
前記蒸気透過膜がゼオライト膜であることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の共沸混合物の分離方法。
【請求項９】
前記共沸混合物が、炭素数が２以上のアルコールと水からなることを特徴とする請求項５ないし請求項８のいずれかに記載の共沸混合物の分離方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１１０８３２（Ｐ２０１２−１１０８３２Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６１６７１（Ｐ２０１０−２６１６７１）
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度 新エネルギー・産業技術総合開発機構、「グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発／規則性ナノ多孔体精密分離膜部材基盤技術の開発」に係る共同研究業務及び委託業務、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３２８５）千代田化工建設株式会社 (162)
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度 新エネルギー・産業技術総合開発機構、「グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発／規則性ナノ多孔体精密分離膜部材基盤技術の開発」に係る共同研究業務及び委託業務、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３２８５）千代田化工建設株式会社 (162)
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
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