(57)【要約】液体混合物の異なる沸点を有する成分を分離する方法及び装置であって、液体混合物中にキャリアガスによって気泡を形成するにあたり、１つまたは複数の揮発性成分を気泡において富化し、次に、当該気泡が液相を出たら、当該気泡の放出される蒸気内容物を収集及び凝縮し、より多くの揮発性成分（複数の場合もあり）を富化して、得られた液体をキャリアガスから分離し、気泡を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる沸点を有する液体混合物の成分を分離する方法であって、
キャリアガスによって前記液体混合物中に気泡を発生させ、その気泡を１つまたは複数の揮発性成分で富化し、前記気泡が液相を出たら、その気泡から放出される蒸気を収集して凝縮し、得られた前記揮発性成分（複数の場合もあり）を、適用される前記キャリアガスから分離する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記気泡の直径は５〜５０００μｍの範囲である
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記気泡の少なくとも７０％は５〜２００μｍの直径を有する
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記気泡の７０％は５分後にも前記液相中に存在する
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記気泡の少なくとも７０％は５００〜５０００μｍの直径、好ましくは７５０〜３０００μｍの直径を有する
請求項２に記載の方法。
【請求項６】
気泡を発生させるのに用いられる低沸点の１つまたは複数のキャリアガスとして空気を適用する
請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
分離される異なる沸点の前記液体は、Ｈ２Ｏ、ＨＤＯ及びＤ２Ｏであり、前記方法の濃縮する工程を、５〜１００℃、好ましくは４０〜７０℃で行う
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記気泡からのガス混合物の放出を、固体表面に前記液体を広げることによって促す
請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
異なる沸点を有する液体混合物の成分を分離する装置であって、
少なくとも１つの液体入口（２）、少なくとも１つの液体出口（３）及び少なくとも１つのガス状媒体出口（４）を有する少なくとも１つの液体タンク（１）と；
前記液体入口（２）を介して前記液体タンク（１）と液体源（５）とを接続する少なくとも１つの給送ライン（６）と；
前記ガス状媒体出口（４）及び接続パイプ（８）を介して前記液体タンク（１）の内部スペース（７）と流れ接触する凝縮ユニット（９）と；
パイプ（３０）を介して前記凝縮ユニット（９）の出口（１０）に接続される収集タンク（１１）とを備え、
前記給送ライン（６）の液体源（５）と液体入口（２）との間には、液体ポンプ（１２）、及びその液体ポンプ（１２）の出口に接続される気泡発生器（１３）が含まれ、
前記気泡発生器（１３）のガス状媒体入口（１４）がガス状媒体コンプレッサー（１５）の出口（１６）に接続され、
前記液体タンク（１）の前記液体出口（３）は、戻りライン（１７）、及び前記液体源（５）にも接続される統一分配ユニット（１８）を介して前記液体ポンプ（１２）の入口に接続され、
前記凝縮ユニット（９）の前記出口（１０）に接続される前記収集タンク（１１）の出口（３１）が、別の統一分配ユニット（３２）を介して、最終生成物収集タンク（２９）の入口に接続され、液体タンク（１）の付加的な液体入口（１９）にも接続され、
前記収集器（１１）の空域（３３）が真空ポンプ（２７）に接続される
ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
前記気泡発生器（１３）の出口（２０）が、前記分配ユニット（２１）を介して、前記タンク（１）の下側部分の１つの液体入口（２）、及び前記タンクの上側部分に配置される別の液体入口（２２）に接続される
請求項８または９に記載の装置。
【請求項１１】
前記気泡発生器（１３）は５〜５０００μｍの気泡を生成する
請求項８ないし１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
表面拡張要素（２４）が前記液体タンク（１）の前記内部スペース（７）内に配置される
請求項８ないし１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
熱伝達ユニット（２５）が前記液体タンク（１）に結合される
請求項８ないし１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
オーバーフロー出口（２６）が前記液体タンク（１）に作られる
請求項８ないし１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記システムは、先行するタンク（１）の上側部分に配置される前記ガス状媒体出口（４）が、後続の前記タンク（１）に属する前記コンプレッサー（１５）の入口（２８）に接続され、一連の最後の前記液体タンク（１）の前記ガス状媒体出口（４）が前記凝縮ユニット（９）の入口（３４）に接続され、一連の別のタンクの前方にある液体タンク（１）の前記オーバーフロー出口（２６）が、接続ライン（３５）を介して、その先行するタンクの前記付加的な液体入口（１９）に接続されるように、連続的に接続される複数の液体タンク（１）を含む
請求項８ないし１４のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる沸点を有する液体を分離及び濃縮する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
分留は、異なる沸点の物質を分離させるために工業において数十年にわたって用いられている。アルコールを水から分離すること、または幾つかの沸点の鉱油製品を得ることがよく知られた例である。これらの双方において、分離される成分の沸点の差は、最高で摂氏数十度（℃）までと大きいため、分留による分離は比較的容易かつ安価であり、このことは、このように生産されるアルコール及び油誘導体（oil derivatives）が、年間およそ百万トンも製造されて使用されることを示している。主な課題は、僅かに異なる（０．５℃〜２℃の差の）沸点を有する物質を分離することであり、したがって分別定数が低くなることである。そのような物質は、かなりのエネルギーを費やして非常に多数の（理論的または物理的な）段の塔においてのみ分離することができる。安定同位体を含有する化合物の分離は、実に困難な課題である。本発明は主に、水素の安定同位体を含む水分子（Ｈ２Ｏ、ＨＤＯ、Ｄ２Ｏ）を分離及び濃縮する装置、並びに当該装置を動作させる方法である。
【０００３】
重水素減少水（ＤＤＷ）を製造する技術が存在し、従来の分留に基づくものであり、Ｈ２ＯとＨＤＯ（０．５℃）及びＨ２ＯとＤ２Ｏ（１．５℃）の沸点の差を利用する。分離とは、本質的に、平衡状態において、より低い沸点の生成物（ここでは：Ｈ２Ｏ）が気相中でごく僅かに（１００℃で１．２％まで）濃縮されることを意味する。現在用いられている分留塔は、物理的または理論的な「段」上で安定した水−蒸気平衡を提供するように作られており、この場合、段から段に上昇する蒸気は、より高い沸点（この場合は：ＨＤＯ、Ｄ２Ｏ）を有する成分を徐々に失い、蒸気を凝縮することによって塔の上部でＤＤＷを得ることができる。通常の重水を分離する段の数が多くなるほど、生成物中の重水素レベルが低くなる。
【０００４】
分離の効率は複数のパラメーターによって決まる。決定的要因は、塔内を流れる蒸気の量、水−蒸気平衡を提供する面積、及び、分別（濃縮）定数（分離温度が低くなるほど、分別定数は高くなる）である。分別定数は、所与の温度において液相中におけるよりも蒸気中においてより多くの揮発性成分がより濃縮されるパーセントを規定する。Ｈ２Ｏ及びＨＤＯに関して、０℃〜１００℃までの５℃ずつの分別定数が以下の表に与えられる。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
ＤＤＷの生成は、当然ながら、塔を流れる蒸気の量に比例する（一方で底部の水中ではＤ濃度が上昇する）。分別定数はより低い温度においてより高いが、対応する部分蒸気圧がはるかに低いため、低温では、蒸気中で運ばれる水の量が少なく、これによって生産性が制限されることが問題点である。さらに、沸点の差が最小限であることによって、塔内の平衡を維持するために生成物の１／１５〜１／１８の部分のみを導く必要があることに留意されたい。そのため、実際には、１時間あたり１トンの蒸気を用いることによって５５リットル〜６５リットルのＤＤＷしか製造することができない。
【０００７】
分離の効率は、所与の温度で水−蒸気平衡を可能な限り迅速に得るために、水−蒸気接触面積のサイズに大きく依存する。過去数十年において、接触面積を増大させるために幾つかの方法が開発された。既知の従来の解決策はバブルキャップを用いる。この場合、塔内の全ての段が数センチメートルの水の層によって覆われ、下側段から上昇する蒸気は、バブルキャップの使用によって強制的に泡立つ。この方法では、蒸気は最小限の時間しか水相中に存在せず、接触面積は主に、塔の直径、及び段上の水の層の面積によって決まる。１ｍ径の塔では、この面積は０．７８５ｍ２である。接触面積を増大させる別の方法は、塔に、小さい体積中に大きい面積を与える多孔質材料を充填することである。その面積が水によって十分に湿潤可能である場合、上昇する蒸気と、固体表面上の水の層との間の、長さ全体にわたる平衡が高まり、分離の効率は理論最大値に近づく。塔充填物の一般的に用いられる形態はラシヒリングであり、この多孔性セラミック面は、異なる沸点を有する物質を分離するための面積を提供する。容積単位あたりのより良好な分離は、いわゆる規則充填物を用いて達成することができ、この場合、容積単位あたりの最大面は、細い金属ワイヤ製の精密に曲げられた網目構造によって与えられる。ＤＤＷまたは重水を製造する場合、ステンレス鋼は水によって十分に濡れないため充填物にリン酸銅仕上げをしなければならず、余分な費用がかかる。
【０００８】
全てのこれらの手順では、分離は本質的に液体と蒸気との接触面において生じ、何らかの固体の「足場」を用いて液体表面が形成される。バブルキャップの場合、トレイ自体が固体部分となり、充填塔では、セラミック充填物、規則充填物または何らかの他の固形物質が固体部分となる。ＤＤＷを製造する既存の方法は以下の欠点を有する：１．１つの蒸留塔では、高いエネルギーを入力しても処理能力が低い；２．塔を１００℃で操作すると、分別定数が低くなり、理論上最大にＤレベルを低下をさせるために多数の段が必要となり、その結果、投資費用が高くなる；３．より高い分別定数は、より低い温度において真空中で蒸留することによって達成することができるが、この場合、制御システムがより複雑になり、また、より低い温度では気相中に存在する水が少なくなるため、処理能力が低下する；４．蒸留塔は、補助機器（高スループットボイラー、塔のための背の高い建造物、高い冷却能力）によって更に増加する、高い投資費用を意味する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は主に、異なる沸点の成分を現在利用可能である方法よりも効率的に分離することが可能な装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、成分毎に分離される液体中に気泡を発生させることによって、液体−気相界面面積を大きく増大させることができるという認識に基づくものである。この面積は、気泡の空域内でより多くの揮発性成分を迅速に濃縮することを可能にするのに十分であり、所与の温度において気液平衡に比較的迅速に達する。（トレイ、ラシヒリングまたは規則充填物を用いる）既存の手順とは対照的に、本発明は、異なる沸点の成分が、液相自体の内部でそれらの分別定数に従って分離する表面を形成することを可能にする。気泡が液体の表面に達して破裂すると、それらのガス内容物が、より多くの揮発性成分で富化された蒸気とともに、液体の上のスペースに進む。
【００１１】
さらに、より小さい（微細）気泡が液相中により長く留まるため、気液平衡が落ち着くのに十分な時間が与えられる。
【００１２】
そのため、本発明は主に、異なる沸点を有する液体の成分を分離するそのような方法であって、キャリアガスによって液相中に気泡を発生させ、液体のより多くの揮発性成分（複数の場合もあり）を濃縮させ；より多くの揮発性成分（複数の場合もあり）で富化された気泡が液相を出ると、放出される蒸気を収集して凝縮し、揮発性成分（複数の場合もあり）で富化された、結果として生じる液体を、キャリアガスから分離する、方法に関する。
【００１３】
さらに、利点は、気泡の直径が５μｍ〜５０００μｍである、上記に記載の方法である。
【００１４】
さらに、利点は、気泡の少なくとも７０％が５μｍ〜２００μｍの直径を有する、上記に記載の方法である。
【００１５】
さらに、利点は、気泡の７０％が５分後に依然として液相中にある、上記に記載の方法である。
【００１６】
さらに、利点は、気泡の少なくとも７０％が５００μｍ〜５０００μｍの直径、または更により有利には７５０μｍ〜３０００μｍの直径を有する、上記に記載の方法である。
【００１７】
さらに、利点は、気泡を発生させるのに用いられるキャリアガスが低沸点の１つまたは複数のガスの混合物；実際には空気である、上記に記載の方法である。
【００１８】
さらに、利点は、分離される異なる沸点の液体がＨ２Ｏ、ＨＤＯ及びＤ２Ｏ（天然水中に見られるようなこれらのブレンド）であり、方法の濃縮する工程を、５℃〜１００℃、好ましくは４０℃〜７０℃で行う、上記に記載の方法である。
【００１９】
さらに、利点は、気泡からのガス混合物の放出を、固体表面に液体を広げることによって促す、上記に記載の方法である。
【００２０】
本発明の別の目的は、方法を実施する装置設定である。そのため、本発明はまた、異なる沸点を有する液体の成分を分離する装置であって：
少なくとも１つの液体入口（２）、少なくとも１つの液体出口（３）及び少なくとも１つのガス状媒体出口（４）を有する少なくとも１つの液体タンク（１）；
液体入口（２）を介して液体タンク（１）と液体源（５）とを接続する少なくとも１つの給送ライン（６）；
ガス状媒体出口（４）及び接続パイプ（８）を介して液体タンク（１）の内部スペース（７）と流れ接触する凝縮ユニット（９）；
パイプ（３０）を介して凝縮ユニット（９）の出口（１０）に接続される収集タンク（１１）
を備え：
給送ライン（６）の液体源（５）と液体入口（２）との間には、液体ポンプ（１２）、及び液体ポンプ（１２）の出口に接続される気泡発生器（１３）が含まれ；
気泡発生器（１３）のガス状媒体入口（１４）がガス状媒体コンプレッサー（１５）の出口（１６）に接続され；
液体タンク（１）の液体出口（３）は、戻りライン（１７）、及び液体源（５）にも接続される統一分配（unifier-distributor）ユニット（１８）を介して液体ポンプ（１２）の入口に接続され；
凝縮ユニット（９）の出口（１０）に接続される収集タンク（１１）の出口（３１）が、別の統一分配ユニット（３２）を介して、最終生成物収集タンク（２９）の入口に接続され、液体タンク（１）の付加的な液体入口（１９）にも接続され；
収集器（１１）の空域（３３）が真空ポンプ（２７）に接続されることを特徴とする、装置に関する。
【００２１】
利点は、気泡発生器（１３）が、ガス状媒体が透過可能なセラミックチューブと協働する、上記に記載の装置である。
【００２２】
さらに、利点は、（図２及び３）気泡発生器（１３）の出口（２０）が、分配ユニット（２１）を介して、液体タンク（１）の下側部分（好都合には下側３分の１）の１つの液体入口（２）、及び液体タンク（１）の上側部分（好都合には上側３分の１）の別の液体入口（２２）に接続される、上記に記載の装置である。要素（２１）は方向制御弁であるものとすることができる。
【００２３】
さらに、利点は、気泡発生器（１３）が５μｍ〜５０００μｍの気泡を発生させる気泡発生器である、上記に記載の装置である。気泡発生器（１３）が数ｃｍ３／分〜数ｍ３／分の総気泡体積を発生させる場合に好都合である。
【００２４】
凝縮器（９）が筒状の熱交換器（２３）を含む場合に有利である。
【００２５】
統一分配ユニット（１８）が方向制御弁またはマニホルド弁であり、遠隔制御することができる場合に有利である。
【００２６】
液体タンク（１）が直立し、円筒形であり、閉鎖される場合に有利である。
【００２７】
さらに、利点は、液体タンク（１）の内部スペース（７）が表面拡張要素（２４）を含む、上記に記載の装置である。この要素が格子構造を有する場合に好都合である。
【００２８】
さらに、利点は、熱伝達ユニット（２５）がタンク（１）に取り付けられる、上記に記載の装置である。ユニット（２５）が、液体タンクの内部（７）のその底部付近に、またはより実用的には底部と接触して配置される場合に好都合である。熱伝達ユニット（２５）は筒状の熱交換器または電熱器であってもよい。
【００２９】
さらに、利点は、液体タンク（１）がオーバーフロー出口（２６）を有する、上記に記載の装置である。タンク（１）の上側セクションまたは下側セクションのうちの少なくとも一方が、異なる温度の流体が循環することができるジャケット付きの壁である場合に好都合である。
【００３０】
さらに、利点は、先行するタンク（１）の上側部分に配置されるガス状媒体出口（４）が、後続のタンク（１）に属するコンプレッサー（１５）の入口（２８）に接続され、一連の最後の液体タンク（１）のガス状媒体出口（４）が凝縮ユニット（９）の入口（３４）に接続され、一連の別のタンクの前方にある液体タンク（１）のオーバーフロー出口（２６）が、接続ライン（３５）を介して、その先行するタンクの付加的な液体入口（１９）に接続されるように連続的に接続される複数の液体タンク（１）を含む、上記（図３）に記載の装置である。
【００３１】
複数の液体タンク（１）を含む装置は、所与の液体タンク（１）の液体出口（３）が、先行するタンク（１）のうちの１つの液体ポンプ（１２）の入口に接続されるように構成することができる。
【００３２】
キャリアガスは、システム内のコンプレッサーの入口（３６）において給送される。
【００３３】
上述したように、装置は、分離を高めるように連続的に接続することができる。そのようなシステムでは、連続的に次々に接続することが好都合であり、より低い沸点の成分で富化された、１つのタンクの空域（７）からの蒸気は、次のタンクにおいて気泡を発生させるのに用いられる。システム内の気泡発生器の数を増やすことによって、異なる揮発度を有する成分の分離を任意のレベルまで高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】スタンドアロン（１ユニット）装置を示す説明図
【図２】面積拡張要素を既に含むシステムを示す説明図であり、面積拡張要素には、気泡発生器を出た水のごく一部が直接的に導かれ、図示の変形形態では、気泡が富化した液体の一部がタンクの上部に流れ、そこから面積拡張要素に流れる。
【図３】図２に示されるユニットのうちの２つを接続することによって形成されるシステムを示す説明図であり、この場合、理論上は、任意の数のベースユニットを（１つの液体タンク１をその固定具によって）上記の方法で接続することができる。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
液体混合物は、異なる沸点の成分を含む任意の種類のものであるものとすることができる。明らかに、本方法は、成分の沸点間の差が僅かである（例えば０．５℃〜３℃）混合物の場合に最も有利であるが；当然ながら、沸点の差がより大きい（例えば３℃〜３０℃）場合にも適用することができる。本発明の方法は、重水素減少水、ＤＤＷを製造するのに（すなわち、ほぼ同じ沸点を有するＨ２Ｏ、ＨＤＯ及びＤ２Ｏを分離するのに）かなり適している。実施例及び有利な実施形態では、ＤＤＷの生成が記載されるが、気泡を発生させることによって液体−蒸気界面面積を増大させるという本発明の基本的着想は、明らかに、当業者によって他の混合物（例えば水−アルコール混合物、混合有機溶媒）に適合することができる。
【００３６】
本発明の技術的解決策によると、気泡の直径は広く様々であるものとすることができる（実際には５μｍ〜５０００μｍ）。気泡のサイズが小さくなると、液体中に留まる時間が長くなる。（５μｍ〜２００μｍ径の）微細気泡も用いることができる。これらのうち、７０％は５分後であっても液体中に留まる。微細気泡によって、到達する平衡は所与の温度における理論上の気液平衡により近づくが、更なる課題は、微細気泡を液相に残し、それらの内容物を液体上のスペースに排出させることである。これは、微細気泡で部分的にまたは完全に飽和した液体を広げることによって、すなわち、その液体を広い表面にわたって流して気泡の融合及び／または破裂をさせることによって促すことができる。
【００３７】
微細気泡は、いわゆる微細気泡発生器において生成される。幾つかの企業がそのような装置を製造販売しているため、最も適した装置を広範な選択肢から選ぶことができる。タイプに応じて、約５μｍ〜２００μｍ径の気泡を微細気泡発生器によって生成することができる。
【００３８】
別の有利な実施形態では、より大きい気泡を発生させる。この場合、気泡の内容物は、例えば表面に沿って液体を流すことによって空域に容易に移される。そのようなより大きい気泡（約５００μｍ〜５０００μｍ、または更により好ましくは７５０μｍ〜３０００μｍ径）の場合、液体及び蒸気の十分に長い接触時間を確実にするために、気泡含有液体をタンク内で複数回再循環させることが有利である（好ましくは気泡の７０％がこの範囲に入る）。図面に示されている有利な構成はこの種類のものである。
【００３９】
以下、「気泡」とは、（サイズが明記されない限り）微細気泡及びより大きい気泡の双方、並びにこれらの任意の混合物を意味する。
【００４０】
気泡を発生させるには、いわゆるキャリアガスが必要である。キャリアガスの沸点は、分離される成分の沸点よりもはるかに低くなければならず、ガスが使用温度においてその臨界温度を上回る場合に有利である。このように、ガスは、有利には熱交換器であるものとすることができる凝縮器では液化されないか、または圧力の上昇によって達成される凝縮に基づいて作用することができる。
【００４１】
異なる沸点の物質の分離においては、決定的要因のうちの１つは、成分がそれらの沸点に従って分離することができる十分に大きい面積である。本発明はまた、気泡によって十分な分離面積を提供する装置に関する。
【００４２】
有利な実施形態では、液体タンク（実際には円筒タンク）内で温度勾配が形成され、それによって、水塔の上部は底部よりも温かくなる。このように、上昇する気泡は膨張してより高温の層に達し、気泡に作用する上昇力が増大し、気泡は、それらの内容物が水の上にあるスペースに排出される水の表面まで運ばれる。
【００４３】
本発明の実際の実施態様では、分離される所与の物質に関して、液体の密度、粘度、沸点等及び他の物理化学的パラメーター（例えば外圧）に応じた、液体中に安定して留まる気泡のサイズ、並びに、気泡の浮上挙動が変化し、上昇力の効果で気泡が表面に上昇する気泡のサイズ及び温度を実験的に求めなければならない。装置の動作時には、気泡のサイズ及び塔の温度勾配をそれに従って設定しなければならない。
【００４４】
別の有利な実施態様では、気泡の浮上は、水塔の上部から所与の距離において、気泡及び微細気泡の合体を促進する条件を作り出すことによっても促すことができ、サイズが増大することによって、生じる大きな気泡が表面に押し出される。
【００４５】
さらに、表面における気泡の消滅、及びそれらの内容物を水の上にある空域に移すことを、衝突することによって気泡の消滅を誘発する多孔質材料または何らかの他の材料が水の表面に接触する場合に促すことができる。
【００４６】
さらに、気泡を浮上させることは、気泡発生器を出る液体またはそのごく一部を、タンクの上部に導くとともに、タンクの壁または更なる大きな表面の要素、例えば篩状物から流すことによって促すこともできる。気泡は、下に流れると、高い確率で表面に達し、破裂し、気泡に入って運ばれる成分が空域に出る。篩以外の表面拡張要素（多孔質セラミクス、ワイヤメッシュ充填物等）も適用することができ；これらの要素は、液体が１つの要素から別の要素へ流れるようにして幾つかの層でまたは段階的に用いることができる。
【００４７】
より多くの揮発性成分の富化を高めるために、液体上のガス状媒体（実際には蒸気含有空気、以下：蒸気）、及びその中の気相中の成分（適用温度及び圧力において蒸気形態で存在する）を、後続のタンクユニットの気泡発生器に圧送する（例えば気泡発生セラミックまたは他の要素を通して導く）ような実施態様も可能である。これは、より低い沸点を有する成分の更なる濃縮を達成する。必要な富化を達成するのに用いることができる本発明による非常に多くの装置を連続的に接続することが好都合である。
【００４８】
本発明の更に有利な実施態様では、連続的な分離及びプラントの連続的な動作は、気泡発生器において用いられる液体及び蒸気を逆流で移動させることによって確実となる。１つのユニットから取り出された蒸気は、気泡発生器を介して次のユニットに導かれ、システムの終わりにおいて凝縮された液体は、最後のユニットに戻される。これによって、最後のユニットの液面が上昇し、実際には重力によるオーバーフローでその前のユニットに流れ戻る。最終生成物は、システムの終わりに凝縮物から取り除かれ、この場合、取り出される割合は、分離の程度及び生産性に関連する。水の場合、凝縮物の１／１２〜１／１５を最終生成物として取り出すことができる。
【００４９】
蒸気が前方へ流れること及び液体が後方へ流れることによって、異なる沸点を有する成分の比率がシステム全体においてゆっくりと変化し、より多くの揮発性成分の量は、ユニットからユニットへ増大する。より少ない揮発性成分が富化されないように、新たな液体を第１の塔に給送しなければならない。
【００５０】
本明細書において上述したように、異なる沸点を有する成分を分離するための大きい水−蒸気界面面積（または任意の液体−蒸気界面面積）は、（現在まで用いられている数十年前の方法におけるように）固体構造ではなく、液体中に存在する気泡によって達成される。この着想は、比較的廉価な機器によって、またエネルギーを大きく消費することなく、製薬産業が必要とする任意の量のＤＤＷ（可能性としては１日に数百万リットル）の生産を可能にすることができる。任意の他の液体物質の分離も、より経済的に行うことができる。本装置及び方法の別の重要な利点は、準備作業及び付加的な投資をほとんど必要とすることなくどこででも展開することができることである。
【００５１】
本発明による装置の表面に関連するパラメーターは、以下の計算によって例示される：
現在用いられているような、分留のためのバブルキャップ塔は、塔直径に応じて、水及び蒸気の平衡のために１つの段あたり以下の面積を提供する：
塔直径  ０．６ｍ      １．０ｍ      １．５ｍ
断面積  ０．２７ｍ２  ０．７８ｍ２    １．７６ｍ２
【００５２】
対照的に、システム内に、例えば気泡発生セラミック要素を通して１分あたり１０ｃｍ３の空気を単に導入すると、水−蒸気相界面面積は、気泡のサイズに応じて以下のようになる：
気泡直径            ５μｍ      １０μｍ      ５０μｍ    １００μｍ
水−蒸気接触面積  １．１７ｍ２  ０．５８ｍ２  ０．１１ｍ２  ０．０４ｍ２
【００５３】
動作中に、液相中に導入される空気の量及び水を出る気泡の量は平衡でなければならない。１分あたり１０ｃｍ３の流れを維持することができる場合、水中に１時間あたりで発生される気泡の面積は、気泡の直径に応じて、以下のようになる：
気泡直径                  ５μｍ        １０μｍ  ５０μｍ  １００μｍ
１動作時間あたり面積  ７０．２ｍ２  ３４．８ｍ２  ６．６ｍ２  ２．４ｍ２
【００５４】
本発明に従って形成される装置及び方法の有利な特性は、以下の通りである：
−分離がより低い温度で行われ、かなりのエネルギーが節減される；
−より低い温度では、分別定数は１００℃で沸騰するよりも高くなるため、必要な富化がより少ない工程で達成される；
−本装置は、１０ｍ〜３０ｍの高さの従来の蒸留塔よりも簡単かつ安価に作ることができる；
−補助機器（ガス燃焼ボイラー、冷却能力、蒸留塔の構造要素等）が必要なく、またはそれらのサイズ及び費用が、現在既知である蒸留機器よりもはるかに低い；
−複数階の背の高い構造が必要なく、本装置のユニットは１つのホールにおいて隣同士で配置することができる；
−ユニットの数、及びそのため富化度を、生産プロセスの必要に応じていつでも変えることができる。
【００５５】
本発明は、特許請求の範囲を限定することなく、以下の実施例によって解釈される：
【実施例】
【００５６】
実施例１
１５Ｌ容及び２５ｃｍ径のタンクに１０Ｌの水を充填する。液体タンク（１）は、水温を任意の値に設定することができるように熱伝達ユニット（２５）によって下から加熱することができる。タンク（１）の上部には、温度計（自明であるため図示されていない）及び凝縮ユニット（９）（筒状の熱交換器）を接続する。液体入口（２）及び出口（３）をタンク（１）の側面に作る。
【００５７】
液体入口（２）は液体タンク（１）を液体ポンプ（１２）に接続し、液体ポンプ（１２）は、液体タンク（１）から液体出口（３）を介して引き出される水を、気泡発生器（１３）及び液体入口（２）を通して液体タンクに送達し戻す。コンプレッサー（１５）が気泡発生器（１３）に接続されており、気泡発生器（１３）に空気を連続的に給送する。必要な水量は、統一分配ユニット（１８）によって液体源（５）からシステム内に給送される。水冷凝縮ユニット（９）の底部の液体凝縮物は、システム内に負圧を提供し、それによって十分な蒸気流を提供する真空ポンプ（２７）に接続されている収集タンク（１１）に進む。収集タンク（１１）からの水のごく一部は、統一分配ユニット（３２）によって分けられ、一方のラインは最終生成物を最終生成物収集タンク（２９）に送達し、他方のラインは、残りの液体を、付加的な液体入口（１９）を介してシステムに戻すように導く。
【００５８】
この設定は図１に示されている。
【００５９】
第１の製造試験では、水温を６０℃に保ち、微細気泡発生器に２０ｃｍ３／分の空気を給送した。発生器は５０μｍ〜１００μｍ径の気泡を生成し、ポンプは、発生器を通して５Ｌ〜８Ｌ／分の水を移動させた。凝縮物のＤ含量は、計算した理論値と良好に一致して給送水のＤ含量よりも６．７ｐｐｍ低かった。
【００６０】
実施例２
上記のプロトタイプを用いるが８０℃で稼働させると、生成された水中のＤ含量の低下はわずか４．６ｐｐｍであった。これは、温度の上昇に伴って分離が悪化することを示し、本発明の理論的背景が正しいことが証明された。
【００６１】
実施例３
装置は実施例１の要素から構成したが、以下のように変更した：
液体タンクは高さが１ｍ、直径が２５ｃｍであり、１５Ｌの水を収容する。気泡発生器（１３）を出るパイプは分配ユニット（２１）において分岐する。一方のラインは、（実施例１におけるように）気泡飽和水を、液体ポンプ（１２）及び液体入口（２）を通して液体タンク（１）の底部に送達する。他方のラインは、液体タンク（１）の上側部分に配置される液体入口（２２）に進み、気泡飽和水は下方へ流れてタンクの壁に広がるか、または更なる表面拡張ユニット（２４）、好都合には篩状の表面を下方へ、タンクの底部まで流れる。分配ユニット（２１）は、分岐前に、液体ポンプ（１２）によって送達される気泡飽和水が２つの分岐に進む比率を調整する。この構成は、気泡が液体タンク（１）の壁を流れる水を出て、それによって蒸発する水の量が徐々に増大することを確実にする。
【００６２】
実施例４
実施例３におけるものと同じ設定であるが１００μｍ〜２００μｍ径の気泡を用いる。
【００６３】
実施例５
実施例３におけるものと同じ装置であるが、気泡のサイズは５００μｍ〜５０００μｍ間で様々である（平均：５００μｍ〜８００μｍ）。動作中、分配ユニット（２１）は、気泡発生器（１３）の後で、液体流の２０％をタンクの底部に方向付け、８０％をその上部に方向付ける。より大きい気泡のサイズ（７５０μｍ〜３０００μｍ）では、より多くの水（４０％〜７５％）がタンクの底部に導かれ；一方で、５０００μｍの気泡の直径では、８０％がタンクの底部に進み、２０％が上部に進む。
【００６４】
実施例６
４０ｃｍの高さの水を収容する、２０ｃｍ径及び５０ｃｍ高さの５つの液体タンク（１）。セラミック気泡発生器（１３）が液体入口（２）を通して第１のシリンダーの底部に接続し、液体ポンプ（１２）によって給送される水中に、１０μｍの気泡の形態で１０ｃｍ３／分の空気を運ぶ。円筒液体タンク（１）は、６０℃の温度の水が流れる、３０ｃｍ〜４０ｃｍの高さの１０ｃｍ幅のジャケットを有する。タンクの最も低い１０ｃｍのセクションは、２０℃の水を含む同一のジャケットを有する。第１の液体タンクの内部スペース（７）からの空気及び蒸発した水は、第１のタンクと同一の次の液体タンク（１）内の第２のセラミック気泡発生器（１３）を介して給送され；このシーケンスは更に３回繰り返される。最後の液体タンク（１）の内部スペース（７）からの蒸気は、凝縮ユニット（９）内で凝縮され、収集タンク（１１）に導かれる。収集タンクから取り出された水の一部は、統一分配ユニット（３２）によって分岐する。最終生成物は最終生成物収集タンク（２９）に進み、残りの水は、付加的な液体入口（１９）を介してシステムに戻される。
【００６５】
記載の方法では、物質は、第１の液体タンク（１）から気泡発生器（１３）を通って最後のタンクまで移動する。液体タンク（１）内の一定の水位は、全てのタンクを、その前のタンクよりも０．５ｃｍ〜１ｃｍ高く配置するとともに、タンクを、４０ｃｍの高さに配置されるオーバーフロー出口（２６）、及びパイプを介してその前の液体タンク（１）の底部に接続することによって確実となる。このように、凝縮後に最後の液体タンク（１）に戻る液体は、オーバーフロー出口（２６）を介してその前のタンク（１）に流れ、そこで、液体は同様に４０ｃｍの高さレベルを超え、先行するタンクに流れる。
【００６６】
実施例７
実施例３に記載されている５つのユニットを、空気が１つのタンク（１）の内部スペース（７）から取り出されて次のタンクの微細気泡発生器（１３）に給送されるように接続する。
【００６７】
実施例８
実施例１の構造と同一の構造を有するが円筒液体タンク（１）を有する装置は１ｍの高さ及び５０ｃｍの直径を有する。空気の投入は１分あたり１００ｃｍ３である。
【００６８】
上記実施例は、分離技術における気泡の適用、より正確には、いかなる固体表面も必要とすることなく異なる沸点を有する成分を気泡で分離することが可能であるという着想が、この分野において無限の可能性を開くことを示している。装置及び気泡のサイズ、給送される空気または他のガスの量、連続したシリンダーの数、温度分布等は、自在に変えることができるか、または実際の分離作業に合わせて最適化することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１  液体タンク
２  液体入口
３  液体出口
４  ガス状媒体出口
５  液体源
６  給送ライン
７  液体タンクの内部スペース
８  接続パイプ
９  凝縮ユニット
１０  凝縮ユニットの出口
１１  収集タンク
１２  液体ポンプ
１３  気泡発生器
１４  ガス状媒体入口
１５  コンプレッサー
１６  コンプレッサー出口
１７  戻りライン
１８  統一分配ユニット
１９  付加的な液体入口
２０  気泡発生器出口
２１  分配ユニット
２２  タンクの上側部分に配置される液体入口
２３  筒状の熱交換器
２４  表面拡張ユニット
２５  熱伝達ユニット
２６  オーバーフロー出口
２７  真空ポンプ
２８  コンプレッサー入口
２９  最終生成物収集タンク
３０  パイプ
３１  収集タンク出口
３２  統一分配ユニット
３３  収集タンクの空域
３４  凝縮器入口
３５  接続ライン
３６  コンプレッサー入口
【図１】
2014522723.tif 000004
【図２】
2014522723.tif 000005
【図３】
2014522723.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月22日(2013.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる沸点を有する液体混合物の成分を分離する方法であって、
キャリアガスによって前記液体混合物中に気泡を発生させ、その気泡を１つまたは複数の揮発性成分で富化し、前記気泡が液相を出たら、その気泡から放出される蒸気を収集して凝縮し、得られた前記揮発性成分（複数の場合もあり）を、適用される前記キャリアガスから分離し、前記気泡の少なくとも７０％は５〜２００μｍの直径を有する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記気泡の７０％は５分後にも前記液相中に存在する
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
気泡を発生させるのに用いられる低沸点の１つまたは複数のキャリアガスとして空気を適用する
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
分離される異なる沸点の前記液体は、Ｈ２Ｏ、ＨＤＯ及びＤ２Ｏであり、前記方法の濃縮する工程を、５〜１００℃、好ましくは４０〜７０℃で行う
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記気泡からのガス混合物の放出を、固体表面に前記液体を広げることによって促す
請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
異なる沸点を有する液体混合物の成分を分離する装置であって、
少なくとも１つの液体入口（２）、少なくとも１つの液体出口（３）及び少なくとも１つのガス状媒体出口（４）を有する少なくとも１つの液体タンク（１）と；
前記液体入口（２）を介して前記液体タンク（１）と液体源（５）とを接続する少なくとも１つの給送ライン（６）と；
前記ガス状媒体出口（４）及び接続パイプ（８）を介して前記液体タンク（１）の内部スペース（７）と流れ接触する凝縮ユニット（９）と；
パイプ（３０）を介して前記凝縮ユニット（９）の出口（１０）に接続される収集タンク（１１）とを備え、
前記給送ライン（６）の液体源（５）と液体入口（２）との間には、液体ポンプ（１２）、及びその液体ポンプ（１２）の出口に接続される気泡発生器（１３）が含まれ、
前記気泡発生器（１３）のガス状媒体入口（１４）がガス状媒体コンプレッサー（１５）の出口（１６）に接続され、
前記液体タンク（１）の前記液体出口（３）は、戻りライン（１７）、及び前記液体源（５）にも接続される統一分配ユニット（１８）を介して前記液体ポンプ（１２）の入口に接続され、
前記凝縮ユニット（９）の前記出口（１０）に接続される前記収集タンク（１１）の出口（３１）が、別の統一分配ユニット（３２）を介して、最終生成物収集タンク（２９）の入口に接続され、液体タンク（１）の付加的な液体入口（１９）にも接続され、
前記収集器（１１）の空域（３３）が真空ポンプ（２７）に接続される
ことを特徴とする装置。
【請求項７】
前記気泡発生器（１３）の出口（２０）が、前記分配ユニット（２１）を介して、前記タンク（１）の下側部分の１つの液体入口（２）、及び前記タンクの上側部分に配置される別の液体入口（２２）に接続される
請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記気泡発生器（１３）は５〜２００μｍの気泡を生成する
請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
表面拡張要素（２４）が前記液体タンク（１）の前記内部スペース（７）内に配置される
請求項６ないし８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
熱伝達ユニット（２５）が前記液体タンク（１）に結合される
請求項６ないし９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
オーバーフロー出口（２６）が前記液体タンク（１）に作られる
請求項６ないし１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記システムは、先行するタンク（１）の上側部分に配置される前記ガス状媒体出口（４）が、後続の前記タンク（１）に属する前記コンプレッサー（１５）の入口（２８）に接続され、一連の最後の前記液体タンク（１）の前記ガス状媒体出口（４）が前記凝縮ユニット（９）の入口（３４）に接続され、一連の別のタンクの前方にある液体タンク（１）の前記オーバーフロー出口（２６）が、接続ライン（３５）を介して、その先行するタンクの前記付加的な液体入口（１９）に接続されるように、連続的に接続される複数の液体タンク（１）を含む
請求項６ないし１１のいずれかに記載の装置。
【手続補正書】
【提出日】平成26年4月7日(2014.4.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記気泡からのガス混合物の放出を、固体表面に前記液体を広げることによって促す
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
2014522723.tif 000007
2014522723.tif 000008