(57)【要約】【課題】  従来の蒸留塔に代えて、省エネルギー化を図ることができるアルコールと水の分離方法及びその装置を提供する。【解決手段】  超臨界状態の溶媒（１）とアルコール及び水を主成分とする混合物（３）とを接触させて、前記混合物を、前記超臨界状態の溶媒及び前記アルコールを主成分とする抽出相（５）と前記水を主成分とする排水相（６）とに分離し、前記分離された抽出相（５）の圧力又は温度を臨界点未満に下げて、前記抽出相を、前記アルコールを主成分とするアルコール相（８）と前記溶媒を主成分とする溶媒相（７）とに分離し、前記分離された溶媒相（７）の圧力又は温度を臨界点以上に上げて前記溶媒を再び超臨界状態にすることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界状態の溶媒とアルコール及び水を主成分とする混合物とを接触させる工程と、
前記混合物を、前記超臨界状態の溶媒及び前記アルコールを主成分とする抽出相と前記水を主成分とする排水相とに分離する工程と、
前記分離された抽出相の圧力又は温度を臨界点未満に下げて、前記抽出相を、前記アルコールを主成分とするアルコール相と前記溶媒を主成分とする溶媒相とに分離する工程と、
前記分離された溶媒相の圧力又は温度を臨界点以上に上げて前記溶媒を再び超臨界状態にする工程と
を含むアルコールと水の分離方法。
【請求項２】
前記超臨界状態の溶媒は、少なくとも臨界圧力より１〜２ＭＰａ高い圧力である請求項１に記載のアルコールと水の分離方法。
【請求項３】
前記溶媒がジメチルエーテルであり、前記アルコールがメタノールであって、前記アルコール相として分離されたメタノールからジメチルエーテルを合成し、このジメチルエーテルを超臨界状態にする工程を更に含む請求項１又は２に記載のアルコールと水の分離方法。
【請求項４】
超臨界状態の溶媒とアルコール及び水を主成分とする混合物とが供給され、前記超臨界状態の溶媒及び前記アルコールを主成分とする抽出相と前記水を主成分とする排水相とに分離する超臨界抽出タンクと、
前記抽出相が供給され、この抽出相を臨界点未満に減圧又は降温して、前記アルコールを主成分とするアルコール相と前記溶媒を主成分とする溶媒相とに分離する分離手段と、
前記溶媒相が供給され、この溶媒相を臨界点以上に加圧又は加熱して再び超臨界状態にする加圧又は加熱手段と、
前記加圧又は加熱手段から前記超臨界状態の溶媒を前記超臨界抽出タンクに供給する配管と
を含むアルコールと水の分離装置。
【請求項５】
前記溶媒がジメチルエーテルであり、前記アルコールがメタノールであって、前記アルコール相として分離されたメタノールを原料としてジメチルエーテルを合成するジメチルエーテル合成手段を更に含む請求項４に記載のアルコールと水の分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルコール及び水を主成分とする混合物からアルコールを精製するためのアルコールと水の分離方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス（メタン）からジメチルエーテルを工業的に合成する場合、以下の式に示すように、メタノール経由で行われるのが一般的である。
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ2  ・・・（式１）
ＣＯ2＋３Ｈ2→ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  ・・・（式２）
２ＣＨ3ＯＨ→ＣＨ3ＯＣＨ3＋Ｈ2Ｏ  ・・・（式３）
上記式３の反応効率を向上させるためには、上記式２で生成したメタノールと水の混合物から水を分離する必要がある。
【０００３】
従来、メタノールなどのアルコールと水とを工業的に分離するには、主に蒸留塔が用いられていた（例えば、特許文献１及び特許文献２など）。しかし、蒸留塔によるアルコールと水との分離では、多量の冷却水と多量のスチームを同時に使用する必要があり、製品量あたりのエネルギー消費量が大きいという問題がある。また、蒸留塔内には４０〜８０段の棚段が設けられており、装置も大型であるという問題がある。
【０００４】
【特許文献１】特許第３４１００９３号公報
【特許文献２】特公平６−９９３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、少ないエネルギー消費量でアルコールと水とを効率よく分離することができる省エネルギー化に優れたアルコールと水の分離方法及びその装置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】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明に係るアルコールと水の分離方法は、超臨界状態の溶媒とアルコール及び水を主成分とする混合物とを接触させる工程と、前記混合物を、前記超臨界状態の溶媒及び前記アルコールを主成分とする抽出相と前記水を主成分とする排水相とに分離する工程と、前記分離された抽出相の圧力又は温度を臨界点未満に下げて、前記抽出相を、前記アルコールを主成分とするアルコール相と前記溶媒を主成分とする溶媒相とに分離する工程と、前記分離された溶媒相の圧力又は温度を臨界点以上に上げて前記溶媒を再び超臨界状態にする工程とを含むことを特徴とする。
【０００７】
溶媒の圧力及び温度が臨界点以上の場合とその一方又は両方が臨界点未満の場合とでは、溶媒に対するアルコールの溶解量が大きく変化する。そこで、溶媒を臨界点以上に加圧及び加熱し超臨界状態にすることで、アルコールが優先的に溶媒に溶解し、超臨界状態の溶媒に対して難溶性である水との分離を行うことができる。その後、溶媒を臨界点以下に減圧又は降温することで、溶解していたアルコールを溶媒から分離させることができる。溶媒は再び臨界点以上に加圧又は加熱することで繰り返し使用できる。よって、溶媒の臨界点の前後で圧力又は温度を若干変化させることによって、アルコールと水とを効率よく分離することができる。
【０００８】
超臨界状態とは、圧力及び温度が臨界点以上の条件下にある状態をいい、超臨界状態の物質は、気体と液体の両方の性質を有するため、以下に超臨界流体と呼ぶ場合もある。前記超臨界状態の溶媒としては、臨界圧力より１〜２ＭＰａ高い圧力であるものを使用することが好ましい。前記溶媒としては、二酸化炭素、又はジメチルエーテル若しくはプロパンなどの有機化合物（但し、アルコールを除く）を用いることが好ましく、特に、分離したメタノールから合成できることから、ジメチルエーテルがより好ましい。
【０００９】
また、本発明に係るアルコールと水の分離方法は、前記溶媒がジメチルエーテルであり、前記アルコールがメタノールであって、前記アルコール相として分離されたメタノールからジメチルエーテルを合成し、このジメチルエーテルを超臨界状態にする工程を更に含むことが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、別の態様として、アルコールと水の分離装置であって、超臨界状態の溶媒とアルコール及び水を主成分とする混合物とが供給され、前記超臨界状態の溶媒及び前記アルコールを主成分とする抽出相と前記水を主成分とする排水相とに分離する超臨界抽出タンクと、前記抽出相が供給され、この抽出相を臨界点未満に減圧又は降温して、前記アルコールを主成分とするアルコール相と前記溶媒を主成分とする溶媒相とに分離する分離手段と、前記溶媒相が供給され、この溶媒相を臨界点以上に加圧又は加熱して再び超臨界状態にする加圧又は加熱手段と、前記加圧又は加熱手段から前記超臨界状態の溶媒を前記超臨界抽出タンクに供給する配管とを含むことを特徴とする。
【００１１】
前記加圧又は加熱手段としては、コンプレッサや熱交換器などを用いることができる。また、本発明に係るアルコールと水の分離装置は、前記溶媒がジメチルエーテルであり、前記アルコールがメタノールであって、前記アルコール相として分離されたメタノールが供給されてジメチルエーテルを合成するジメチルエーテル合成手段を更に含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明によれば、少ないエネルギー消費量でアルコールと水とを効率よく分離することができる省エネルギー化に優れたアルコールと水の分離方法及びその装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施の形態について説明する。図１は、本発明に係るアルコールと水の分離装置の一例を概略的に示す模式図である。図１に示すように、本分離装置は、超臨界抽出タンク１０と、分離手段２０と、コンプレッサ３０とで主に構成されている。
【００１４】
超臨界抽出タンク１０は、タンク１０内を超臨界状態に維持できるものであれば、特に限定されるものではない。タンク１０の底部には、底部に形成される液体の排水相をタンク外に排出するための配管が設けられている。また、タンク１０の頂部には、頂部に形成される超臨界流体の抽出相を分離手段２０に供給するための配管１２が設けられている。この配管１２にはバルブ１４が設けられている。
【００１５】
分離手段２０は、気体と液体とを分離する手段であり、分離手段２０内が所定の温度及び圧力に耐えることができるものであれば、特に限定されるものではない。分離手段２０の底部には、底部に形成される液体のアルコール相を外部へ排出するための配管が設けられている。また、分離手段２０の頂部には、頂部に形成される気体の溶媒相をコンプレッサ３０に供給するための配管２２が設けられている。
【００１６】
コンプレッサ３０は、供給される気体を超臨界状態に加圧できるものであれば、特に限定されるものではない。コンプレッサ３０には、加圧した超臨界流体を超臨界抽出タンク１０に供給するための配管３２が設けられている。なお、この配管３２は、超臨界流体源（図示省略）あるいは超臨界抽出タンク１０とも接続しており、超臨界流体源は超臨界流体が超臨界抽出タンク１０に供給されるように構成されている。
【００１７】
上記の構成において、先ず、超臨界抽出タンク１０内に超臨界流体源（図示省略）から超臨界状態のジメチルエーテルである超臨界ジメチルエーテル１を充填する。なお、ジメチルエーテルの臨界圧力は５．３３ＭＰａ、臨界温度は１２７℃であるので、超臨界ジメチルエーテル１の圧力及び温度は、少なくとも５．３３ＭＰａ及び１２７℃以上にする必要があり、更に、圧力を臨界圧力より１〜２ＭＰａ以上高くして、７ＭＰａ以上にすることが好ましい。臨界圧力より１〜２ＭＰａ高くすることで、超臨界ジメチルエーテル１における水の溶解度をほぼ０にし、ほぼ完全に脱水することができる。
【００１８】
また、超臨界ジメチルエーテル１は、臨界圧力より１〜２ＭＰａ高い圧力及び臨界温度より２０〜５０℃高い温度にすることが好ましい。臨界圧力より１〜２ＭＰａ高い圧力及び臨界温度より２０〜５０℃高い温度にすることで、分離の対象となる混合物がタンク１０内に供給された場合に、タンク１０内の圧力及び温度が臨界点未満に低下することを防止することができる。一方、臨界圧力より２ＭＰａを超える圧力及び臨界温度より５０℃を超える温度とすると、コンプレッサ３０の動力の増大やタンク１０の耐久性の観点から好ましくない。
【００１９】
次に、分離の対象となるメタノールと水との混合物３をタンク１０に供給する。超臨界ジメチルエーテル１と混合物３との重量比は、１００：１〜１００とすることが好ましく、特に、１００：１０〜５０とすることがより好ましい。重量比を１００：１０〜５０にすることで、ジメチルエーテルの圧力又は温度を変化させるために要するエネルギー消費量に対して、分離回収されるメタノールの量が多く、顕著な省エネルギー化を図ることができる。なお、メタノールと水との混合比は特に限定されない。
【００２０】
供給された混合物３中のメタノールは、超臨界ジメチルエーテル１に対して溶解度が高いため、超臨界ジメチルエーテル１に溶解し、超臨界ジメチルエーテル１とメタノールを主成分とする抽出相５を形成する。一方、混合物３中の水は、超臨界ジメチルエーテル１に対して難溶性であるため、水を主成分とする排水相６を形成する。なお、抽出相５は超臨界流体であり、排水相６は液体であるため、タンク１０内では、抽出相５が頂部に形成され、排水相６が底部に形成される。そして、頂部から抽出相５を排出し、底部から排水相６を排出することで、混合物３中のメタノールと水とを分離することができる。
【００２１】
抽出相５は、配管１２を介して分離手段２０に供給する。そして、バルブ１４により減圧され、分離手段２０内の圧力を臨界圧力の５．３３ＭＰａ未満に、好ましくは臨界圧力より１〜２ＭＰａ低い圧力（すなわち、３ＭＰａ）から５．３３ＭＰａ未満までの範囲に減圧する。これにより、ジメチルエーテルは超臨界流体ではなくなるので、メタノールのジメチルエーテルに対する溶解度は急激に低下し、メタノールとジメチルエーテルは分離する。すなわち、分離手段２０内には、ジメチルエーテルを主成分とする溶媒相７と、メタノールを主成分とするアルコール相８の２相が形成される。なお、溶媒相７は気体であり、アルコール相８は液体であるため、溶媒相７が頂部に形成され、アルコール相８が底部に形成される。そして、底部からアルコール相８を排出することで、純度の高いメタノールを得ることができる。なお、減圧を臨界圧力より１〜２ＭＰａ低い圧力までにすることで、メタノールの溶解度を十分に低下させることができるとともに、ジメチルエーテルを再利用する際、少ないエネルギーで再び超臨界状態にすることができる。
【００２２】
溶媒相７は、配管２２を介してコンプレッサ３０に供給する。コンプレッサ３０で溶媒相７を臨界点以上に加圧して再び超臨界ジメチルエーテル１とし、配管３２を介して超臨界抽出タンク１０に供給する。すなわち、溶媒であるジメチルエーテルは、本装置内を循環させて繰り返し利用することができる。
【００２３】
このように、ジメチルエーテルの圧力を臨界点の前後で変化させることで、メタノールのジメチルエーテルに対する溶解度を大きく変化させることができるので、メタノールと水の混合物３からメタノールのみを分離回収することができる。特に、ジメチルエーテルの圧力を臨界圧力前後で若干変化させるという少ないエネルギー消費量で、純度の高いメタノールを得ることができるので、従来の蒸留塔に比べて、省エネルギー化を図ることができる。
【００２４】
なお、分離手段２０から排出されたメタノールは、ジメチルエーテル合成手段（図示省略）に供給して、上記式３に示すように、ジメチルエーテルの原料として使用することができる。また、これにより合成されたジメチルエーテルを加圧及び加熱して超臨界ジメチルエーテル１とし、超臨界抽出タンク１０に充填することもできる。このように、本発明で分離したメタノールを用いて溶媒であるジメチルエーテルを合成することで、ジメチルエーテルを容易に入手できる他、循環用のジメチルエーテル貯蔵タンクなどの設備が不要になり、装置の建設コストを低減することができる。
【００２５】
また、上記の実施の形態では、溶媒としてジメチルエーテルを使用する場合を説明したが、溶媒としては、二酸化炭素（臨界温度：３１．１℃、臨界圧力：７．３８ＭＰａ）、又は若しくはプロパン（臨界温度：９６．７℃、臨界圧力：４．２５ＭＰａ）などの有機化合物を使用することができる。二酸化炭素は温室効果ガスであるため、大気に放出せず固定化する必要があるが、この固定化された二酸化炭素の用途がないという問題がある。本発明では、この固定化された二酸化炭素を溶媒として大量に使用することができる。
【実施例１】
【００２６】
図１の装置を用いて、超臨界ジメチルエーテルによるメタノールと水の分離試験を行った。圧力が６．０ＭＰａ、温度が１５０℃の超臨界ジメチルエーテルを超臨界抽出タンクに充填した。同時にメタノールと水の混合物を超臨界抽出タンクに供給した。なお、メタノールと水とのモル比は約１：１であった。そして、分離手段ではジメチルエーテルを４．５ＭＰａまで減圧し、これにより、純度９９％のメタノールを得た。そして、コンプレッサでジメチルエーテルを上記圧力まで再圧縮した後、超臨界抽出タンクに供給し、メタノールと水の分離を連続して行った。その結果、ジメチルエーテルの圧縮、加熱合計で８５のエネルギーが消費された。一方、比較例として、同様のメタノールと水との混合物を従来の蒸留法で行ったところ、リボイラで消費されたエネルギーは１００であった。よって、本発明によれば、従来の蒸留法に比べて、約１５％のエネルギーを削減することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係るメタノールと水の分離装置の一例の概略を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  超臨界ジメチルエーテル
３  混合物
５  抽出相
６  排水相
７  溶媒相
８  アルコール相
１０  超臨界抽出タンク
１２、２２、３２  配管
１４  バルブ
２０  分離手段
３０  コンプレッサ
【図１】
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