(57)【要約】【課題】  特殊な蒸留方法でしか分離することができなかった液体混合物の分離操作において、設備スペースがコンパクトでありながら、分離性能が優れ、エネルギー効率が高い液体混合物の分離装置を提供する。【解決手段】  二成分以上の液体混合物を分離する蒸留手段３、４と、蒸留手段の塔頂から留出する混合蒸気を分離するためのゼオライト膜を有する膜分離手段１３を含む液体混合物の分離装置であって、混合蒸気の一部を蒸留手段の上部へ還流する経路内に配置された圧力調整弁６および２基以上の凝縮器７、８からなる圧力制御手段、および蒸留手段４の塔頂と膜分離手段１３の間に配置された過熱度調整手段１２を有し、蒸留手段４からの留出蒸気を安定な過熱状態として、膜分離手段１３へ供給し、分離性能が高く、分離装置全体の消費エネルギーの低減、設備のコンパクト化を実現する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二成分以上の液体混合物を分離する蒸留手段と、前記蒸留手段の塔頂から留出する混合蒸気を分離するゼオライト膜を有する膜分離手段とからなる分離装置であって、前記混合蒸気の一部を前記蒸留手段へ還流する経路内に配置された圧力調整弁および２基以上の凝縮器からなる圧力制御手段、並びに前記塔頂と前記膜分離手段の間に配置された過熱度調整手段を有する蒸留−膜分離ハイブリッド装置。
【請求項２】
前記過熱度調整手段が、絞り機構を有する圧力調整弁である請求項１に記載の蒸留−膜分離ハイブリッド装置。
【請求項３】
二成分以上の液体混合物を分離する方法において、蒸留手段により二成分以上の液体混合物を蒸留し、前記蒸留手段の塔頂から留出する混合蒸気を、前記塔頂と連通してなりゼオライト膜を有する膜分離手段により、膜分離する方法であって、前記混合蒸気の一部を前記蒸留手段へ還流する経路内に配置された、圧力調整弁および２基以上の凝縮器からなる圧力制御手段により、前記混合蒸気の温度を高くする工程、前記塔頂と前記膜分離手段の間に配置された過熱度調整手段により、前記混合蒸気を過熱状態とする工程、並びに前記膜分離手段において、前記混合蒸気を凝縮させずに膜分離する工程を有する蒸留と膜分離を組み合わせた分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体混合物の分離装置に関し、さらに詳しくは、蒸留手段と膜分離手段とを相乗的に組み合わせた分離効率およびエネルギー効率に優れ、耐熱性が高い蒸留−膜分離ハイブリッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸留操作は、液体混合物の気液平衡関係を利用する分離操作であり、装置スペースが大きく、エネルギー消費量が多い単位操作である。しかし通常の蒸留操作の分離性能は、必ずしも十分ではなく、特に共沸混合物の蒸留に際しては、分離濃度に限界がある。このため共沸混合物の蒸留操作においては、第３成分を添加して一方の構成成分を抽出して、共沸状態の気液平衡をずらして行なう抽出蒸留や、エントレーナを添加して別の共沸混合物を形成させて、エントレーナとともに蒸留する共沸蒸留があるが、共沸蒸留塔およびエントレーナの再生塔等の増設が必要となる。また気液平衡関係が近い混合物を蒸留手段により分離するには、蒸留塔の棚段数が非常に多くなるため、蒸留塔の高さが高くなり、装置スペースがいっそう巨大となる問題点を有する。
【０００３】
例えば、エタノール／水系混合液は、エタノール濃度８９モル％（９５重量％）に共沸点があり、このため通常の蒸留操作においては８９モル％（９５重量％）を超えてエタノールの濃縮ができない。そこでベンゼンをエントレーナとして添加して共沸蒸留塔で３成分の共沸状態にして、塔底から過剰の１００％エタノールを取り出し、塔頂から留出する３成分混合液をデカンタとエントレーナ回収塔および水回収塔の２つの蒸留塔で分離する共沸蒸留法が広く用いられている。エタノールを精製する方法として、この共沸蒸留法が工業化されているが、大きな設備装置が必要であること、さらに多大なエネルギーを要することから蒸留に代わるエタノール精製技術の開発は、重要な課題となっている。
【０００４】
一方、膜分離法を利用した分離手段は、液体混合物を分離膜の片側（供給側）に接触させて、反対側（透過側）を減圧することにより、特定の液体（透過物質）を気化させ分離するパーベーパレーション法（浸透気化法）、気体混合物を蒸気状態で供給し分離膜に接触させて、透過側を減圧して特定の蒸気を分離するベーパーパーミエーション法（蒸気透過法）などがある。このような膜分離方法は、従来、簡単な方法では分離できなかった液体混合物、すなわち上記の共沸混合物や、沸点が近接して比揮発度が小さい液体混合物、加熱によって重合や変成を起こしやすい物質を含む混合物を分離または濃縮する新しい分離法として注目されている。
【０００５】
また、膜分離法を利用する分離手段は、分離膜の有効面積を最大限に広くすることが課題となっている。例えば、ベーパーパーミエーション法（蒸気透過法）では、分離膜の表面に混合蒸気が凝縮してしまうと、凝縮部分では分離操作が機能せず、有効な膜面積が減少してしまうことになる。このため、供給蒸気を十分に加熱して、分離膜に接しても凝縮させない方法があるが、供給蒸気の加熱処理に費やされるエネルギー量が多いため、消費エネルギーが少ないという膜分離法の特徴を、損なうこととなってしまう。
【０００６】
特許文献１は、共沸蒸留法と膜分離法を組み合わせて、共沸蒸留塔頂部からエントレーナを、共沸蒸留塔底部からエチル第３ブチルエーテルを集め、共沸蒸留塔の中段側面からエタノールに富んだ混合液を抜き取り、膜分離によりエタノールを分離する方法を提案している。しかし、特許文献１は、高分子膜を使用しているため、耐熱性、耐溶剤性、および機械的強度が低いことから、蒸留と膜分離を組み合わせた有機化合物の精製方法としては、その適用範囲に限界があり、工業化することが難しいという課題がある。
【特許文献１】特開平７−２７８０３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置の目的は、上述のような課題がある液体混合物の分離操作において、設備スペースがコンパクトでありながら、分離性能が優れ、エネルギー効率が高い液体混合物の分離装置を提供することにある。
【０００８】
さらに詳しくは、蒸留−膜分離ハイブリッド装置において、膜分離手段への供給蒸気が、膜モジュールにおいて凝縮せずに安定的に分離処理され、高い膜モジュール効率が得られるとともに、分離性能が向上し、熱エネルギーが効率的に利用され、さらに設備のコンパクト化を達成することができる蒸留−膜分離ハイブリッド装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、二成分以上の液体混合物を分離する蒸留手段と、蒸留手段の塔頂から留出する混合蒸気を分離するゼオライト膜を有する膜分離手段とからなる分離装置であって、混合蒸気の一部を蒸留手段へ還流する経路内に配置された圧力調整弁および２基以上の凝縮器からなる圧力制御手段、並びに塔頂と膜分離手段の間に配置された過熱度調整手段を有することを特徴とするものである。
【００１０】
なお、本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、過熱度調整手段が、絞り機構を有する圧力調整弁であることが、好ましい。
【００１１】
さらに、本発明の分離方法は、二成分以上の液体混合物を分離する方法において、蒸留手段により二成分以上の液体混合物を蒸留し、蒸留手段の塔頂から留出する混合蒸気を、塔頂と連通してなりゼオライト膜を有する膜分離手段により、膜分離する方法であって、混合蒸気の一部を蒸留手段へ還流する経路内に配置された、圧力調整弁および２基以上の凝縮器からなる圧力制御手段により、混合蒸気の温度を高くする工程、塔頂と膜分離手段の間に配置された過熱度調整手段により、混合蒸気を過熱状態とする工程、並びに膜分離手段において、混合蒸気を凝縮させずに膜分離する工程を有する蒸留と膜分離を組み合わせた分離方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、蒸留手段および膜分離手段からなり、蒸留手段から留出する飽和蒸気を、過熱度調整手段を通して、過熱度１〜５０℃の安定な過熱状態として、膜分離手段へ供給することができる。
【００１３】
膜分離手段は、過熱状態の高温蒸気を処理することにより、蒸気の凝縮が起こらず分離膜の有効面積を最大限に広くできること、分離膜を構成するゼオライト膜が、耐熱性、耐溶剤性、耐酸性および機械的強度に優れること、高温下での膜分離処理により分離性能を高く維持できること等のメリットがあり、膜分離手段の分離性能を最大限に引き出すことができる。  
【００１４】
本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、特に、液体混合物の分離性能に優れ、共沸混合物の分離に際しても、その共沸点以上にまで濃縮・精製することができる分離装置である。
【００１５】
本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、従来の共沸蒸留法等、特殊な蒸留方法でしか分離することができなかった液体混合物の分離操作に代わる新しい分離装置であり、蒸留塔に大きな設備を追加する必要がなく、設備スペースが極めてコンパクトでありながら、分離性能に優れ、エネルギー効率が高い混合物分離装置である。
【００１６】
本発明の蒸留と膜分離を組み合わせた分離方法は、蒸留手段および膜分離手段を相乗的に組み合わせた分離方法であり、蒸留手段からの留出蒸気を安定な過熱状態として、膜分離手段へ供給することができる方法である。膜分離手段の膜モジュールにおいては、過熱状態の高温蒸気を処理することにより供給蒸気の凝縮が起こらず高いモジュール効率が得られること、分離膜にゼオライト膜を使用するため耐熱性、耐溶剤性、耐酸性に優れること、高温操作によりゼオライト膜の分離性能が高い状態で発揮できること等のメリットがあり、膜モジュールの性能を最大限に引き出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明を詳細に説明する。
【００１８】
本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、二成分以上の液体混合物を分離する蒸留手段と、蒸留手段の塔頂から留出する混合蒸気を分離するゼオライト膜を有する膜分離手段とからなる分離装置であって、混合蒸気の一部を蒸留手段へ還流する還流ラインに配置され圧力調整弁および２基以上の凝縮器からなり、蒸留手段の塔頂から留出する飽和蒸気の温度を高める圧力制御手段、並びに塔頂と膜分離手段の間に配置され、蒸留手段から留出し膜分離手段へ送る混合蒸気の過熱度を調整する過熱度調整手段を有することを特徴とするものである。
【００１９】
図１は、本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置の一例として、エタノール／水混合系におけるエタノール精製装置を示す系統図である。なお、本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、本系統図により制約を受けることなく、図１以外の装置系統においても、またエタノール／水混合系以外の液体混合物に対しても、有効に使用することができる。
【００２０】
図１において、本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、主に蒸留塔３および４からなる蒸留手段、並びに主に膜モジュール１３からなる膜分離手段とを含むものである。
【００２１】
本発明の蒸留手段は、複数の段あるいは充填物からなる原料供給段より上部の蒸留塔（塔頂側）４と原料供給段より下部の蒸留塔（塔底側）３、原料供給段、リボイラー５、並びに凝縮器７、還流タンク９、および還流ポンプ１０等を有する還流ラインなどから構成される蒸留塔であり、耐圧性を有するものであれば特に制限がなく公知の蒸留塔を使用することができる。
【００２２】
本発明の膜分離手段は、膜モジュール１３、透過液凝縮器１７、透過液トラップ１８、真空ポンプ１９および濃縮液凝縮器２２などから構成されている。膜モジュール１３は、分離膜１４、被透過蒸気室１５とその両側に配置した透過蒸気室１６とからなり、被透過蒸気室１５と透過蒸気室１６とを分離膜１４により隔てた構成となっている。
【００２３】
蒸留塔（塔底側）３に供給された液体混合物は、気液平衡関係により分離され、過剰の高沸成分である水が、蒸留塔底部方向に流れ缶出液として抜き出される。一方、蒸留塔（塔頂側）４の塔頂からエタノール／水混合系の飽和蒸気が留出する。
【００２４】
所定圧力の飽和状態で留出した混合蒸気は、膜分離手段への供給分を除く残りの混合蒸気が、還流ラインへ入り、圧力制御手段を通じて凝縮し、還流タンクを通じて、蒸留塔（塔頂側）４の上部に、所定の還流比にて還流する。一方、膜分離手段へ供給するエタノール／水混合系の混合蒸気は、過熱度調整手段を通じて過熱状態となり、膜モジュール１３へ送られ、蒸気透過法により所定のエタノール濃度まで精製する。蒸気透過法により分離した水は、透過液トラップ１８を経て回収される。
【００２５】
本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、還流ライン内に、蒸留手段の塔頂から留出する飽和蒸気の温度を昇温するための圧力制御手段を有する。すなわち蒸留手段の加圧状態とすることにより、塔頂から留出する飽和蒸気を昇温するものである。
【００２６】
本発明において還流ライン内に配置された圧力制御手段は、好ましくは圧力調整弁６および２基以上の凝縮器を有するものである。すなわち、圧力調整弁６を制御することにより、蒸留手段を加圧状態として、塔頂から留出する飽和蒸気を昇温することができる。
【００２７】
蒸留手段の塔頂部の圧力は、混合蒸気の組成や性状にもより一概には決められないが、好ましくは０．１〜１．５ＭＰａ、より好ましくは０．２３〜０．８ＭＰａ、さらに好ましくは０．３〜０．７ＭＰａである。蒸留手段の塔頂部の圧力が、上記範囲未満であると塔頂から留出する飽和蒸気を十分に昇温することができず、膜分離手段へ供給する蒸気の過熱状態が十分でなくなる虞があり、逆に蒸留手段の塔頂部の圧力が、上記範囲を超えると、ガス状態挙動を示す傾向があり、好ましくない。なお、蒸留手段および膜分離手段におけるそれぞれの圧力は、各手段の機能を果たすために、設定されていればよい。
【００２８】
通常、蒸留手段の気液状態は、リボイラーにおけるスチーム圧やスチーム供給量の変動および蒸留塔へ供給する原料混合液の組成、温度、流量等の変動など種々の状態変動を受けている。したがって、圧力調整弁６により蒸留手段の塔頂部を加圧状態としても、十分な安定化手段を用いなければ、蒸留塔頂からの留出蒸気は、その気液状態が大きく変動してしまい安定とならない。
【００２９】
本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、蒸留塔頂から留出する加圧飽和蒸気を安定化するため、還流ライン内に、好ましくは２基以上の凝縮器７および８を有するものである。２基以上の凝縮器により、過剰となる加圧飽和蒸気を確実に凝縮して還流タンク９へ送ることができる。本発明において圧力制御手段は、２基以上の凝縮器を連続して使用することが特徴である。圧力制御手段における凝縮器が１基だけであると、状態変動が大きな加圧飽和蒸気の安定化が不十分となり、過剰な加圧飽和蒸気を十分に凝縮することができず、膜分離手段へ供給する混合蒸気の状態を安定化することができなくなってしまい好ましくない。圧力調整手段に使用する凝縮器の数は、２基以上であればよく、数が多いほど蒸留塔の大幅な状態変動の影響を受けた留出蒸気を所定の加圧状態へと安定化することができるが、費用対効果の面から凝縮器の数は、２基であることがより好ましい。
【００３０】
さらに、本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、蒸留塔頂から留出する加圧飽和蒸気を、過熱蒸気として膜分離手段へ供給する過熱度調整手段を有する。膜分離手段における膜モジュール１３へ供給する混合蒸気が、飽和蒸気のままであると分離膜の表面において凝縮が起こりやすく、分離操作の有効面積が減少してしまう。本発明においては、過熱度調整手段を用いて、飽和蒸気を過熱状態とすることにより分離膜の表面に凝縮が起きることがなく、分離膜の有効面積を最大限に広くして利用することができる。
【００３１】
本発明において、過熱度調整手段を通した混合蒸気の過熱状態は、過熱度が、好ましくは１〜３０℃、より好ましくは３〜１５℃の過熱状態である。混合蒸気の過熱度が、上記範囲未満であるとゼオライト膜からなる分離膜の表面に凝縮が起きる虞があり、上記範囲を超えると、ガス状態挙動となり膜性能低下を起こす傾向があり、好ましくない。
【００３２】
本発明において、過熱蒸気を、分離膜に接触させることにより、分離膜の処理温度を上昇させることができる。本発明における分離膜は、ゼオライト膜により構成されているが、ゼオライト膜は、その処理温度が高いほど分離性能が向上する性質をもっている。本発明において、分離膜の温度は、好ましくは８５〜１８０℃、より好ましくは、１１０〜１４５℃である。分離膜の温度が、上記範囲未満であるとゼオライト膜の性能を向上させることができず、上記範囲を超えると、ゼオライト膜の選択透過性を低下させる傾向があり、好ましくない。
【００３３】
本発明の膜分離手段において、確実に過熱蒸気を供給することができるため、有効な分離膜面積を最大化できること、およびゼオライト膜の分離性能を向上させることの相乗的な性能向上効果が得られる。
【００３４】
本発明において、過熱度調整手段としては、好ましくは蒸気圧縮機、熱交換器、過熱機、ヒートポンプ、サーモコンプレッションおよび絞り機構を有する圧力調整弁が挙げられるが、より好ましくは絞り機構を有する圧力調整弁である。加圧状態の飽和蒸気を、絞り機構を有する圧力調整弁に通すことにより断熱膨張させて、圧力を減じながら過熱状態とすることができる。絞り機構を有する圧力調整弁は、外部からエネルギーを加えることなく過熱蒸気を得ることができ、他の過熱度調整手段と比べ有効な手段である。なお、絞り機構を有する圧力調整弁に対して他の過熱度調整手段を補助的に使用することもでき、より過熱度の高い過熱蒸気を得ることができる。
【００３５】
本発明の膜分離手段手段に使用する膜モジュール１３は、図１に示すように、ゼオライト膜が分離膜１４として取り付けられ、例えば管板に固定された片端封止の筒状ゼオライト膜が所定ピッチになるよう、両側の管板から挿入した円筒型膜モジュールが挙示できる。筒状ゼオライト膜は、多孔質支持体とその表面上に合成させたゼオライト膜とから構成される。
【００３６】
本発明の膜分離手段に使用するゼオライト膜は、耐熱性が高く、耐溶剤性、耐酸性および機械的強度に優れており、高分子膜と比べより厳しい実用的な膜分離処理を行なうことができる。例えば、バイオエタノールの精製処理には、耐酸性が高いことが求められており、高分子膜を使用することはできず、また、耐熱性が低い高分子膜を、過熱状態の膜分離に使用することも限界がある。
【００３７】
本発明の分離膜１４に使用するゼオライト膜は、水選択透過性であり、分離膜１４の内側および透過蒸気室１６を、好ましくは真空度１３．３〜３０００Ｐａ、より好ましくは真空度１３３〜１３００Ｐａに減圧することにより、被透過蒸気室１５内の混合蒸気中の、主に親水性成分が、選択的に分離膜１４の外側から内側へ透過する。透過蒸気は、分離膜１４の内側を流れ、透過蒸気室１６から排出され、透過液凝縮器１７により凝縮されて、回収される。被透過蒸気室１５において脱水し精製された疎水性成分であるエタノールは、濃縮液凝縮器２２で冷却されて製品タンクへ送られる。
【００３８】
本発明において、ゼオライト膜の種類は、混合蒸気から選択的に透過するものの性状により適宜、選択することができ、例えば、エタノール／水混合系蒸気から水を選択的に分離する場合には、Ａ型ゼオライト膜、Ｙ型ゼオライト膜、ＮａＸ型ゼオライト膜、Ｔ型ゼオライト膜、低Ｓｉ／Ａｌ比のモルデナイトおよび低Ｓｉ／Ａｌ比のＺＳＭ−５型ゼオライト膜など水選択透過性を有するゼオライト膜から選ぶことができる。なかでも水選択透過性が高いＡ型ゼオライト膜、特にＮａＡ型ゼオライト膜を使用することが好ましい。
【００３９】
ゼオライト膜の透過性能は、所定の供給蒸気の温度、供給量、および透過蒸気室１６（または透過液トラップ１８）の真空度において、単位面積、単位時間当たりの全透過量（ｋｇ／ｍ２ｈ）、および分離係数αとにより評価することができる。分離係数αは、混合物の分離効率を示すものであり、化合物Ａおよび化合物Ｂを含む混合蒸気に対し下記式（１）で定義する。
α＝（ＰＡ／ＰＢ）／（ＦＡ／ＦＢ）        （１）
式中、ＦＡ、ＦＢは、それぞれ供給蒸気中の化合物Ａ、化合物Ｂの平均濃度（重量％）であり、ＰＡ、ＰＢは、それぞれ透過液中の液体Ａ，液体Ｂの平均濃度（重量％）である。
【００４０】
水−アルコール混合蒸気からの脱水分離の場合、分離係数αは、化合物Ａが水、化合物Ｂがアルコールとなり下記式（２）にて表される。
α＝（ＰＷ／ＰＯＨ）／（ＦＷ／ＦＯＨ）        （２）
式中、ＦＷ、ＦＯＨは、それぞれ供給蒸気中の水（Ｗ）、アルコール（ＯＨ）の平均濃度（重量％）であり、ＰＷ、ＰＯＨは、それぞれ透過液中の水（Ｗ）、アルコール（ＯＨ）の平均濃度（重量％）である。
【００４１】
本発明において使用するゼオライト膜の透過性能は、全透過量が、好ましくは０．０１〜１００ｋｇ／ｍ２ｈ、より好ましくは０．１〜１００ｋｇ／ｍ２ｈ、さらに好ましくは０．５〜１００ｋｇ／ｍ２ｈである。また、本発明において、使用するゼオライト膜は、水／エタノール系において、分離係数αが、好ましくは５０〜１００００００、より好ましくは５００〜１００００００、さらに好ましくは１０００〜１００００００である。水／エタノール系の分離係数αが、５０００以上と高いことから、親水性が高く、優れた水選択透過性を持ち、高効率の脱水分離膜として有効に利用することができる。
【００４２】
本発明において、分離対象となる液体混合物は、特に限定されないが、例えば、水と、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類または酢酸、プロピオン酸、酪酸などのカルボン酸類との液体混合物、またはアセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、四塩化炭素、トリクロロエチレンなどのハロゲン化炭化水素、酢酸、プロピオン酸、酪酸などのカルボン酸類などの有機溶液と、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類との液体混合物、前記アルコール類またはカルボン酸類と、ベンゼン、シクロヘキサンなどの芳香族類との液体混合物などを挙げることができる。本発明において、分離の対象とする液体混合物は、上記の化合物を２種類以上含むものであってもよい。
【００４３】
本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、有機混合物の精製分離プロセスにおいて、共沸蒸留塔やエントレーナ回収塔等を増設する必要がなく、分離性能が高く省エネルギーで設備スペースのコンパクトな分離装置である。すなわち通常の蒸留装置では、共沸混合物をその共沸点を越えて濃縮することはできないが、本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、エントレーナ添加や共沸蒸留を行なうことなく、共沸混合物をその共沸点を越えて濃縮することができ、優れた分離性能を有するものである。
【００４４】
具体的には、エタノール／水混合系におけるエタノール精製において、エタノール濃度９５重量％が、共沸点となっており、通常の蒸留では、エタノール濃度９５重量％を超えてエタノールを濃縮することはできない。これに対して、本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、エタノール濃度９５重量％を超えてエタノールを濃縮することが可能であり、エタノール濃度９９．５重量％にまでエタノールを精製することができる。
【００４５】
また本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置は、通常の蒸留塔を代替することもでき、塔高さの低減等による設備のコンパクト化、消費エネルギーの削減など優れた効果がある。
【００４６】
本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置を用いた液体混合物を分離する方法を、図１に例示したエタノール／水混合系において、説明する。なお、本発明の液体混合物を分離する方法は、これに限定されるものではない。
【００４７】
液体混合物は、熱交換器２を通じて加熱された後、蒸留塔（塔底側）３に供給する。供給された混合物は、気液平衡関係により分離され、過剰の高沸成分である水が、蒸留塔底部方向に流れ缶出液として抜き出される。一方、蒸留塔（塔頂側）４の塔頂からエタノール／水混合系の飽和蒸気が留出する。
【００４８】
蒸留塔全体３および４を、還流ライン内に配置された圧力制御手段の圧力調整弁６により、好ましくは０．１〜１．５ＭＰａ、より好ましくは０．３〜０．７ＭＰａの加圧状態とし、２基の凝縮器７および８により、蒸留塔の大きな状態変動の影響を受けた留出蒸気を所定の加圧状態へと安定化する。
【００４９】
所定圧力の飽和温度で蒸留手段の塔頂から留出した混合蒸気において、膜分離手段への供給蒸気を除く残りの混合蒸気が、還流ラインに入り、２基の凝縮器７および８により凝縮し、還流タンク９を通じて、蒸留塔（塔頂側）４の上部に、所定の還流比にて還流する。
【００５０】
一方、膜分離手段へ供給するエタノール／水混合系の飽和蒸気は、絞り機構を有する圧力調整弁１２を通じて、過熱度が、好ましくは１〜３０℃、より好ましくは５〜１５℃の過熱状態となり、膜モジュール１３へ送られる。
【００５１】
膜モジュール１３は、過熱状態の混合蒸気と接することにより、ゼオライト膜を有する分離膜１４の温度が、好ましくは８０〜１６０℃、より好ましくは１１０〜１４０℃となる。水選択透過性である分離膜１４の内側および透過蒸気室１６を、好ましくは真空度１３．３〜３０００Ｐａ、より好ましくは真空度１３３〜１３００Ｐａに減圧することにより、被透過蒸気室１５内の混合蒸気中の、親水性成分が、選択的に分離膜１４の外側から内側へ透過する。透過蒸気（水）は、分離膜１４の内側を流れ、透過蒸気室１６から排出され、透過液凝縮器１７により凝縮されて、透過液トラップ１８を経て回収される。  被透過蒸気室１５内のエタノールは、蒸気透過法により脱水され、所定のエタノール濃度まで精製し、濃縮液凝縮器２２を経て製品タンクへ送られる。
【００５２】
本発明の蒸留−膜分離ハイブリッド装置を使用する液体混合物の分離方法は、蒸留手段および膜分離手段を相乗的に組み合わせた分離方法であり、蒸留手段からの留出蒸気を安定な過熱状態として、膜分離手段へ供給することができる方法である。膜分離手段の膜モジュールにおいては、過熱状態の高温蒸気を処理することにより供給蒸気の凝縮が起こらず高いモジュール効率が得られること、分離膜にゼオライト膜を使用するため耐熱性、耐溶剤性、耐酸性に優れること、高温操作によりゼオライト膜の分離性能が高い状態で発揮できること等のメリットがあり、膜モジュールの性能を最大限に引き出すことができる。
【実施例】
【００５３】
以下、実施例によって本発明をさらに説明するが、本発明の範囲をこれらの実施例により限定するものではない。
【００５４】
下記の実施例および比較例において、図１に示したエタノール精製装置を用いて、エタノール／水系混合液のエタノールの精製分離を行なった。
【００５５】
膜分離手段における膜モジュールは、膜面積が０．５ｍ２であり、分離膜がＮａＡ型ゼオライト膜（三井造船社製円筒型モジュール）である。
【００５６】
＜実施例１＞
エタノール濃度５０重量％のエタノール／水混合液を出発原料として使用して、原料供給量７ｋｇ／ｈで蒸留手段へ供給し、還流比２．０で蒸留運転および圧力制御を行なった。塔頂から圧力４．４ｋｇ／ｃｍ２、温度１２０℃の飽和蒸気が７．６ｋｇ／ｈで留出し、この飽和蒸気のエタノール濃度は、９１．０重量％であった。
【００５７】
留出蒸気の内、３．８ｋｇ／ｈを、絞り機構を有する圧力調整弁により、圧力３．９ｋｇ／ｃｍ２に減圧して、約４．５℃の過熱度を与え、膜モジュールへ送り、脱水処理を行った。分離膜への供給温度は、１２０℃であった。
【００５８】
この結果、エタノール濃度９９．５重量％にまで精製されたエタノールが、３．４６ｋｇ／ｈの収量で得られた。
【００５９】
＜比較例１＞
実施例１における分離操作において、蒸留手段および膜分離手段の圧力制御を行なわないで大気圧とし、塔頂から留出する飽和蒸気のエタノール濃度が、９１．０重量％となるよう蒸留条件を調整し、蒸留−膜分離を組み合わせた分離操作を行なった。その結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
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【００６１】
膜モジュールへの供給蒸気は、温度７８℃と低く、エタノールの最終精製濃度は、９６重量％までしか精製することができなかった。
【００６２】
＜実施例２＞
エタノール濃度３０重量％のエタノール／水混合液を、原料供給量６ｋｇ／ｈで蒸留手段へ供給し、還流比４．０で蒸留運転および圧力制御を行なった。塔頂から圧力４．４ｋｇ／ｃｍ２、温度１２０℃の飽和蒸気が５．０ｋｇ／ｈで留出し、この飽和蒸気のエタノール濃度は、９０．５重量％であった。
【００６３】
留出蒸気の内、１．０ｋｇ／ｈを、絞り機構を有する圧力調整弁により、圧力３．９ｋｇ／ｃｍ２に減圧して、約４℃の過熱度を与え、膜モジュールへ送り、脱水処理を行った。分離膜への供給温度は、１２０℃であった。
【００６４】
この結果、エタノール濃度９９．９重量％にまで精製されたエタノールが、０．９１ｋｇ／ｈの収量で得られた。
【００６５】
＜比較例２＞
実施例２における分離操作において、蒸留手段および膜分離手段の圧力制御を行なわないで大気圧とし、塔頂から留出する飽和蒸気のエタノール濃度が、９０．５重量％となるよう蒸留条件を調整し、蒸留−膜分離を組み合わせた分離操作を行なった。その結果を表２に示す。
【００６６】
【表２】
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【００６７】
膜モジュールへの供給蒸気は、温度７８℃と低く、エタノールの最終精製濃度は、９９重量％までしか精製することができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】エタノール／水系混合物の分離装置系統図の一例
【符号の説明】
【００６９】
１    供給ポンプ
２    熱交換器
３    蒸留塔（塔底側）
４    蒸留塔（塔頂側）
５    リボイラー
６    圧力調整弁
７    凝縮器
８    凝縮器
９    還流タンク
１０  還流ポンプ
１１  還流調整弁
１２  絞り機構を有する圧力調整弁
１３  膜モジュール
１４  分離膜
１５  被透過蒸気室
１６  透過蒸気室
１７  透過液凝縮器
１８  透過液トラップ
１９  真空ポンプ
２０  透過液ポンプ
２１  膜分離圧力調整弁
２２  濃縮液凝縮器
２３  濃縮液ポンプ
２４  供給液調整弁
２５  スチームドレイン
２６  スチーム調整弁
【図１】
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