(57)【要約】【課題】極性溶媒と非極性溶媒とを含む混合液を蒸留する方法において、優れたエネルギー効率を実現でできる蒸留方法およびこのような蒸留方法に用いられる蒸留装置を提供すること。【解決手段】極性溶媒と、非極性溶媒とを含む混合液を蒸留する方法であって、前記混合液にマイクロ波を照射することを特徴とする蒸留方法が提供される。前記極性溶媒は、比誘電率が４以上の溶媒であることが好ましく、前記非極性溶媒は、比誘電率が４未満の溶媒であることが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性溶媒と、非極性溶媒とを含む混合液を蒸留する方法であって、前記混合液にマイクロ波を照射することを特徴とする蒸留方法。
【請求項２】
前記極性溶媒は、比誘電率が４以上の溶媒であり、前記非極性溶媒は、比誘電率が４未満の溶媒である請求項１に記載の蒸留方法。
【請求項３】
極性溶媒と、非極性溶媒とを含む混合液を入れるための蒸留槽と、
前記蒸留槽に入れた前記混合液に、マイクロ波を照射するためのマイクロ波照射装置と、
前記蒸留槽に接続され、前記マイクロ波の照射により発生した気体を冷却して液化させる冷却装置と、
前記冷却装置により液化した溶媒を回収するための回収槽と、を有する蒸留装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極性溶媒と非極性溶媒とを含む混合溶液を蒸留するための蒸留方法、およびこの蒸留方法に用いる蒸留装置に係り、さらに詳しくは、理論段数が大きな蒸留設備を必要とせず、エネルギー効率に優れた蒸留方法および蒸留装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学工業、食品工業、医薬品工業などをはじめとする多品種少量生産の産業分野において、蒸留操作は極めて重要であり、かつ汎用的な単位操作である。蒸留は、通常、沸点の異なる２種以上の液体からなる混合液を加熱気化し、低沸点成分を主体とする蒸気を凝縮して混合液中の成分を分離する操作である。
【０００３】
このような蒸留操作に使用される装置としては、各種蒸留装置が知られているが、通常は加熱によって蒸発してきた各成分を冷却して凝縮させて取り出すためその組成は各成分の蒸気圧の比とほぼ同じであって、一段だけでの蒸留（単蒸留）では十分な分離ができない。そのため、特に沸点の近い（蒸気圧がほぼ等しい）複数の成分を分離するには、理論段数の大きな多段の蒸留塔を複数用い、還流比を大きくして蒸留操作を行う必要がある。そのため、加熱・冷却を繰り返すこととなり、エネルギー効率が良くない問題がある。たとえば、特許文献１では、必要な蒸留塔の本数を減らすために、１本の蒸留塔を分割し、複数の蒸留塔の役割を持たせることが試みられている。
【０００４】
しかしながら、この特許文献１に記載された方法でも、理論段数の大きな多段の蒸留塔を用いる必要があり、設備が大掛かりになるとともに、加熱・冷却を繰り返すこととなり、エネルギー効率は十分には改善されていない問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３１４００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、極性溶媒と非極性溶媒とを含む混合液を蒸留する方法において、理論段数が大きな蒸留設備を必要とせず、エネルギー効率に優れた蒸留方法およびこのような蒸留方法に用いられる蒸留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】
【０００７】
本発明者等は、上記目的を達成するために、鋭意検討を行ったところ、極性溶媒と非極性溶媒とを含む混合液にマイクロ波を照射して、マイクロ波の照射により蒸留を行うことにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、
（１）極性溶媒と、非極性溶媒とを含む混合液を蒸留する方法であって、前記混合液にマイクロ波を照射することを特徴とする蒸留方法、
（２）前記極性溶媒は、比誘電率が４以上の溶媒であり、前記非極性溶媒は、比誘電率が４未満の溶媒である上記に記載の蒸留方法、および
（３）極性溶媒と、非極性溶媒とを含む混合液を入れるための蒸留槽と、前記蒸留槽に入れた前記混合液に、マイクロ波を照射するためのマイクロ波照射装置と、前記蒸留槽に接続され、前記マイクロ波の照射により発生した気体を冷却して液化させる冷却装置と、前記冷却装置により液化した溶媒を回収するための回収槽と、を有する蒸留装置、
が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、極性溶媒と、非極性溶媒とを含む混合液に、マイクロ波を照射することにより、混合液の蒸留を行うものである。そして、マイクロ波の照射により分子運動し易いという性質を有する極性溶媒を優先的に加熱することができる一方で、マイクロ波の照射により分子運動し難い非極性溶媒はほとんど加熱されないこととなる。その結果、優先的に加熱された極性溶媒が選択的に蒸発してくるため、極性溶媒の沸点まで加熱しなくても蒸留が可能で、かつ、分離能力が高い。従って、理論段数が大きな蒸留設備を用いて大きな還流比をかけることをしなくても（すなわち、理論段数が小さな蒸留設備で小さな還流比であっても）、極性溶媒のみを選択的に回収できる。そのため、ヒートロスが少なくエネルギー効率に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の蒸留方法について詳細に説明する。
本発明の蒸留方法は、極性溶媒と、非極性溶媒とを含む混合液に、マイクロ波を照射することを特徴とする。
【００１１】
本発明の方法により蒸留される混合液を構成する極性溶媒および非極性溶媒としては特に限定されず、たとえば、以下の溶媒を用いることができる。
【００１２】
すなわち、極性溶媒としては、極性を有し、様々な分野において通常用いられている溶媒であれば良く、特に限定されないが、その比誘電率が、好ましくは４以上、より好ましくは１０以上、さらに好ましくは１５以上のものである。なお、比誘電率は１００以下が好ましい。
【００１３】
このような極性溶媒としては、たとえば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、酢酸、アセトン、アセトニトリル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、塩化メチレン、等が挙げられる。
【００１４】
また、非極性溶媒としては、極性が低く、様々な分野において通常用いられている溶媒であれば良く、特に限定されないが、その比誘電率が、好ましくは４未満である。
【００１５】
このような非極性溶媒としては、たとえば、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、スチレン、シクロヘキサン、シクロペンタン、ブタジエン、イソプレン等が挙げられる。
【００１６】
本発明の方法により蒸留される混合液を構成する極性溶媒および非極性溶媒の組み合わせは特に限定されないが、本発明の効果がより一層顕著になることから、沸点の差が、好ましくは３０℃以下であるような組み合わせ、より好ましくは２０℃以下であるような組み合わせとすることが好ましい。なお、非極性溶媒の沸点が、極性溶媒より高いことが好ましい。
【００１７】
本発明の方法により蒸留される混合液を構成する極性溶媒および非極性溶媒の組み合わせの具体例としては、たとえば、メタノール／シクロヘキサン、アクリロニトリル／スチレン、アセトン／シクロペンタン、アクリロニトリル／ブタジエン、アクリロニトリル／イソプレンなどが挙げられる。
【００１８】
また、本発明においては、混合液を構成する極性溶媒および／または非極性溶媒として、２種以上の溶媒を用いても良い。すなわち、混合液を２種以上の極性溶媒と１種の非極性溶媒との組み合わせとしても良いし、あるいは、１種の極性溶媒と２種以上の非極性溶媒との組み合わせとしても良い。さらには、２種以上の極性溶媒と２種以上の非極性溶媒との組み合わせとしても良い。なお、このような２種以上の極性溶媒および／または非極性溶媒を用いる場合における組み合わせとしては、たとえば、アクリロニトリル／ブタジエン／イソプレン、アクリロニトリル／メタノール／ブタジエンなどが挙げられる。
【００１９】
混合液における極性溶媒と、非極性溶媒との混合比率は、重量比で、通常、極性溶媒：非極性溶媒＝１：９９〜９９：１、好ましくは１：９９〜２０：８０である。混合液中における、非極性溶媒の含有量が少なすぎると、本発明の作用効果が小さくなる場合がある。
【００２０】
上記混合液にマイクロ波を照射する方法としては特に限定されないが、たとえば、上記混合液を所定の蒸留槽に入れ、この蒸留槽に向かって、マイクロ波を照射する方法が挙げられる。なお、蒸留槽としては、化学工業、食品工業、医薬品工業などにおいて、蒸留に際して一般的に用いられる、通常の蒸留槽が用いられ、撹拌装置を備えたものであっても良い。また、蒸留槽にはその上方部付近に、気化した成分を冷却し、これにより気化した成分を液化させる冷却装置が接続され、さらには、冷却装置には回収槽が接続され、冷却装置により液化した成分を回収できるようにするのが一般的である。また、蒸留槽の上方部に充填塔や還流設備を設置し、ある程度の理論段数を持たせてもよい。なお、多段の蒸留塔を設置し、ボトムの釜のみならず各段においてマイクロ波を照射することもできる。
【００２１】
マイクロ波とは、好ましくは、波長が１ｍ（周波数：３００ＭＨｚ）〜１ｍｍ（周波数：３００ＧＨｚ）の電磁波である。本発明では、混合液に照射するマイクロ波としては、その波長が、好ましくは６０ｃｍ（周波数：５００ＭＨｚ）〜１．５ｍｍ（周波数：２００ＧＨｚ）の範囲、特に３０ｃｍ（周波数：１ＧＨｚ）〜３ｃｍ（周波数：１０ＧＨｚ）の範囲のものを用いることが好ましい。
【００２２】
マイクロ波は、通常、マイクロ波発生装置により発生させることができる。本発明において、マイクロ波を照射する際における、マイクロ波発生装置の出力は、２００Ｗ〜５００ｋＷの範囲であることが好ましく、より好ましくは３００Ｗ〜１０ｋＷの範囲である。なお、マイクロ波発生装置としては、マグネトロン式のものであっても良いし、クライストロン式のものであっても良いし、ジャイロトロン式のものであっても良い。マイクロ波発生装置の出力が低すぎると、混合液中における極性溶媒の加熱が不十分となり、極性溶媒を選択的に蒸発させることができないおそれがある。一方、出力が高すぎると、極性溶媒の沸騰が急激に起こりすぎるという不具合が発生するおそれがある。
【００２３】
また、本発明においては、マイクロ波の出力は、必ずしも一定である必要はなく、必要に応じて変化させても良い。たとえば、マイクロ波照射開始から極性溶媒の沸騰が開始するまでと、極性溶媒の沸騰が開始した後と、で同じ出力としても良いし、あるいは、異なるものとしても良い。マイクロ波の出力を極性溶媒の沸騰前後で異なるものとすることにより、たとえば、蒸留における分離成分の精度を制御することができる。
【００２４】
そして、本発明におけるマイクロ波による蒸留は、例えば、以下のようにして進行する。すなわち、極性溶媒および非極性溶媒を含む混合液を蒸留槽に入れ、蒸留槽に入れた状態でマイクロ波発生装置により発生させたマイクロ波を照射することにより、図１に示すように、まず、極性溶媒が、混合液中で分子運動し、これにより混合液の液温が連続的に上昇する。なお、図１は、本発明のマイクロ波による蒸留における、マイクロ波の照射時間と混合液の温度との関係を示すグラフである。
【００２５】
その後、混合液の液温が所定の温度（図１に示す温度Ｔ１、ただしＴ１は極性溶媒の沸点より低い温度でも良い）まで上昇し、所定の温度（図１に示す温度Ｔ１）で温度上昇が止まったり、小さくなったりして、極性溶媒の沸騰が開始する。そして、マイクロ波照射によるエネルギーが極性溶媒の沸騰による気化に優先的に消費され続け、最終的には、極性溶媒の沸騰が終了する。なお、本発明のマイクロ波による蒸留により気化した成分は、蒸留槽に接続された冷却装置により冷却され、これにより、液化し、冷却装置に接続された回収槽に回収されることとなる。すなわち、本発明の蒸留方法により、混合液中の成分は、蒸留槽と回収槽とにそれぞれ分離されることとなる。このようにして本発明におけるマイクロ波による蒸留が行われる。
【００２６】
このようにして行われる本発明に係るマイクロ波による蒸留においては、非極性溶媒を主として含む蒸留残渣が蒸留槽に残ることとなり、一方、極性溶媒を主として含む蒸留液が回収槽に移動することとなる。
【００２７】
このように本発明の蒸留方法によれば、マイクロ波の照射により分子運動し易いという性質を有する極性溶媒を優先的に加熱できるため、理論段数が大きな蒸留設備を必要とせず、エネルギー効率に優れる。
【００２８】
なお、本発明におけるマイクロ波による蒸留においては、極性溶媒の沸騰終了後は、極性溶媒等のマイクロ波照射による分子運動する成分が殆ど残存しないこととなるため、マイクロ波を照射し続けても、混合液の温度は殆ど上昇しないこととなる。
【００２９】
以上、本発明について実施形態に基づき説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
たとえば、本発明の効果を損なわない限りにおいては、本発明のマイクロ波による蒸留方法以外の蒸留方法と組み合わせて用いても良い。また、たとえば、混合液中の極性溶媒および非極性溶媒が実質的に気化しない温度までは、ヒーター等により加熱を行い、その後、マイクロ波による加熱、蒸留に切り換えるという方法を採用しても良い。
【実施例】
【００３０】
以下に実施例、比較例を挙げて、本発明を具体的に説明する。これらの例中の〔部〕および〔％〕は、特に断わりのない限り重量基準である。ただし本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
【００３１】
実施例１
まず、図２に示す蒸留装置を準備した。
図２に示す蒸留装置は、本発明の方法により蒸留される混合液４を入れるための蒸留用フラスコ２が、マイクロ波加熱炉６中に備えられた構成となっており、この蒸留用フラスコ２中の混合液４に向かって、マイクロ波が照射可能になっているものである。具体的には、マイクロ波は、マイクロ波発振機８により発生可能となっており、発生したマイクロ波は、導波管１０を介して、マイクロ波加熱炉６中に導かれ、これにより蒸留用フラスコ２中の混合液４に照射されることとなる。なお、マイクロ波加熱炉６は、試料の出し入れが可能なように開閉自在な扉（図示省略）が備えられており、扉を閉めることにより、マイクロ波加熱炉６内部を密閉できるようになっている。
【００３２】
そして、導波管１０から照射されたマイクロ波により、混合液４中において気化した成分がガラス管１２を通り、冷却管１４にて冷却されて液化し、最終的には、ガラス管１６を介して冷却管１４に接続された回収用フラスコ１８中に、液体の状態で回収されるようになっている。なお、図２に示す蒸留装置においては、混合液４の入った蒸留用フラスコ２は、マグネチックスターラ２０上に配置され、蒸留用フラスコ２中の撹拌子２２がマグネチックスターラ２０により回転することにより、混合液４を撹拌できるようになっている。また、冷却管１４は、冷媒１４ａが通ることにより、冷却管１４内部の気体および／または液体を冷却できるようになっている。
【００３３】
そして、上記にて準備した蒸留装置を用いてマイクロ波による蒸留を行った。具体的には、まず、蒸留に供する混合液４として、メタノール／シクロヘキサン混合液（メタノール：シクロヘキサン＝５部：９５部）を準備した。なお、メタノールは、沸点６４．７℃、比誘電率３３．０であり、シクロヘキサンは、沸点８０．７℃、比誘電率２．０である。
【００３４】
次いで、上記にて準備したメタノール／シクロヘキサン混合液１００部を、蒸留用フラスコ２中に入れ、蒸留用フラスコ２中に入れたメタノール／シクロヘキサン混合液をマグネチックスターラ２０および撹拌子２２により、撹拌速度４００ｒｐｍの条件で撹拌した。
【００３５】
そして、メタノール／シクロヘキサン混合液を撹拌した状態にて、マイクロ波加熱炉６の扉を閉め、マイクロ波加熱炉６内を密閉した状態とし、次いで、データロガーにより、蒸留用フラスコ２中のメタノール／シクロヘキサン混合液温度、蒸気温度およびマイクロ波出力の各データの収集を開始し、これに続いて、マイクロ波の照射を開始した。なお、本実施例では、蒸気温度は、図２に示す蒸留装置のガラス管１２の頂部付近における蒸気温度を測定した。また、マイクロ波の照射の際における、マイクロ波発振機８の出力は３６４Ｗ、周波数は２．４５ＧＨｚとした。データロガーにより収集したデータをグラフ化して図３（Ａ）に示す。なお、図３（Ａ）において、縦軸方向において、下方にマイクロ波出力を、上方にメタノール／シクロヘキサン混合液温度および蒸気温度を、それぞれ示した。
【００３６】
図３（Ａ）からも確認できるように、マイクロ波（ＭＷ）照射開始後、メタノール／シクロヘキサン混合液の温度が連続的に上昇し、そして、照射開始から３３０秒が経過した時点で、メタノール／シクロヘキサン混合液の温度が約５７℃に達し、メタノール／シクロヘキサン混合液が沸騰し、混合液から蒸気が発生し始めた。そして、図３（Ａ）からも確認できるように、マイクロ波を照射し続けても、メタノール／シクロヘキサン混合液の温度が約５７℃から上昇することなく、沸騰し続ける結果となった。なお、メタノール／シクロヘキサン混合液から発生する蒸気の温度も約５２℃で一定であった。その後、マイクロ波照射開始から７３６秒後に、沸騰が殆ど確認されなくなったので、マイクロ波の照射を終了した。
【００３７】
実施例１において、最終的に、蒸留用フラスコ２中に残存した蒸留残渣の量は９４部であり、メタノールの残量は６１６５ｐｐｍであった。また、回収用フラスコ１８中に回収された留出物（約６部）中のメタノール濃度は７３％であり、シクロヘキサン濃度は２７％であった。
【００３８】
比較例１
図２における蒸留装置において、マイクロ波加熱炉６、マイクロ波発振機８および導波管１０を用いず、その代わりに、フラスコ２をマントルヒーター（定格１００Ｗ、スライダックにより８０％の出力に調整）で加熱することにより、メタノール／シクロヘキサン混合液の蒸留を行った。
【００３９】
そして、比較例１においても、実施例１と同様に、データロガーにより、蒸留用フラスコ２中のメタノール／シクロヘキサン混合液温度および蒸気温度の各データの収集を行った。ただし、比較例１では、マイクロ波の照射は行っていないため、マイクロ波の出力のデータについては測定しなかった。データロガーにより収集したデータをグラフ化して図３（Ｂ）に示す。
【００４０】
図３（Ｂ）からも確認できるように、マントルヒーターでの加熱開始後、メタノール／シクロヘキサン混合液の温度が連続的に上昇し、そして、加熱開始から３４０秒が経過した時点で、メタノール／シクロヘキサン混合液の温度が約６２℃に達し、メタノール／シクロヘキサン混合液が沸騰し、混合液から蒸気が発生し始めた。そして、図３（Ｂ）からも確認できるように、その後加熱し続けると、メタノール／シクロヘキサン混合液の温度はさらに上昇し続けた。この際、メタノール／シクロヘキサン混合液から発生する蒸気の温度は約５２℃で一定であった。そして、温度が約８１℃に達すると、さらに高温の蒸気（温度約６５℃の蒸気）が発生する結果となった。
【００４１】
比較例１において、最終的に、蒸留用フラスコ２中に残存した蒸留残渣の量は９０部であり、メタノールの残量は検出されなかった。また、回収用フラスコ１８中に回収された留出物（約１０部）中のメタノール濃度は５０％であり、シクロヘキサン濃度は５０％であった。
【００４２】
上記のように、マントルヒーターでの加熱による蒸留を行った比較例１においては、回収用フラスコ１８中に回収された留出物中のシクロヘキサン濃度が高く、分離が不十分であった。一方、マイクロ波による蒸留を行った実施例１においては、回収用フラスコ１８中に回収された留出物中のメタノール濃度が高く、優れた分離能力が示された。
また、マントルヒーターでの加熱による蒸留を行った比較例１ではメタノール／シクロヘキサン混合液の温度が約６２℃に達しないと蒸留が開始できなかったが、マイクロ波を照射した実施例１では、約５７℃で蒸留を行うことができ、ヒートロスが少なかった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は本発明のマイクロ波による蒸留における、マイクロ波の照射時間と混合液の温度との関係を示すグラフである。
【図２】図２は本発明の実施例に係る蒸留装置の概略図である。
【図３】図３（Ａ）は本発明の実施例に係る蒸留方法における測定データを示すグラフ、図３（Ｂ）は比較例に係る蒸留方法における測定データを示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
２…  蒸留用フラスコ
４…  混合液
６…  マイクロ波加熱炉
８…  マイクロ波発振機
１０…  導波管
１２…  ガラス管
１４…  冷却管
１６…  ガラス管
１８…  回収用フラスコ
２０…  マグネチックスターラ
２２…  撹拌子
【図１】
2009034660.tif 000002
【図２】
2009034660.tif 000003
【図３】
2009034660.tif 000004