(57)【要約】【課題】  製造コストの増大を抑制し、エネルギー効率の良好な蒸留方法を提供する。【解決手段】  本発明にかかる蒸留方法は、沸点が０〜５０℃の範囲にある所定成分を含む溶液を加熱蒸発させることにより、前記成分のガスを生成する蒸留方法であって、前記溶液の加熱は、クローズドサイクル型ヒートポンプを用いて、前記成分のガス又はこれを含む混合ガスを凝縮温度−１０〜４０℃の範囲で冷却凝縮させることと同時に行うことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸点が０〜５０℃の範囲にある所定成分を含む溶液を加熱蒸発させることにより、前記成分のガスを生成する蒸留方法であって、
前記溶液の加熱は、クローズドサイクル型ヒートポンプを用いて、前記成分のガス又はこれを含む混合ガスを凝縮温度−１０〜４０℃の範囲で冷却凝縮させることと同時に行うことを特徴とする蒸留方法。
【請求項２】
前記溶液として濃度が８０重量％以上のフッ化水素を含むものを使用することを特徴とする請求項１に記載の蒸留方法。
【請求項３】
前記溶液を加熱蒸発させる際の沸点と、前記成分のガス又はこれを含む混合ガスを冷却凝縮させる際の凝縮温度との差が２０℃を超えないことを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸留方法。
【請求項４】
前記ヒートポンプに於ける冷熱側の取り出し温度が−２０〜３０℃の範囲内であり、温熱側の取り出し温度が１０〜６０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の蒸留方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クローズドサイクル型ヒートポンプ方式を用いたことにより、製造コストの低減及びエネルギー効率の高い処理を行うことが可能な蒸留方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸留は有効な分離精製手段として工業的に広範囲で用いられているが、エネルギー効率が悪いという欠点がある。この為、種々の省エネルギー対策が考案されており、ヒートポンプもその対策のひとつである。ヒートポンプは、蒸留システムの構成として熱媒体の循環方式の観点から、クローズドサイクル型とオープンサイクル型の２つの型式に分類される。また、ヒートポンプの種類としては機械圧縮式と吸収式に大別される。
【０００３】
例えば下記非特許文献１には、Ｒ-１１４（ＣＣｌＦ２ＣＣｌＦ２）を冷媒（作動流体）として使用した電動機圧縮式のクローズドサイクル型の報告がされている。しかし、この先行技術文献には、沸点０〜５０℃、凝縮温度−１０〜４０℃の範囲の蒸留において、ヒートポンプをクローズドサイクル型で使用する旨の記載はない。
【０００４】
一方、フッ化水素は、工業的に広範囲で必要とされている。例えば、フッ化水素は、そのものとして又はフッ化水素酸の形で、腐食剤として使用される。更に、フッ化水素又はフッ化水素酸は、無機又は有機のフッ素含有化合物の製造にも使用されている。電子工学及び光学等のいくつかの使用分野においては、不純物の少ないフッ化水素が必要とされている。また、半導体分野においては、フッ素化合物の廃液処理や回収・再利用の方法も検討されている。そして、フッ化水素の精製や廃液処理、回収・再利用などを行う際には、蒸留方法が用いられている。
【０００５】
例えば、下記特許文献１においては、蒸留塔を用いてフッ化水素のみを気化させて分離し、その後冷却塔を用いてフッ化水素ガスを冷却させ、フッ化水素酸を得るフッ化水素の再生方法が開示されている。当該公報によれば、種々の不純物を含むフッ酸の廃液から、純粋なフッ酸の回収が図れることが記載されている。しかし、特許文献１に記載のフッ化水素の再生方法を実施した場合、エネルギー効率が低く製造コストが増大するという問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３４５９４９号公報
【非特許文献１】Ｉｎｔ．Ｊ．Ｅｎｅｒｇｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ｖｏｌ．１２，Ｐ４１３，１９８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、製造コストの増大を抑制し、エネルギー効率の良好な蒸留方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明者等は、前記従来の問題点を解決すべく、蒸留方法について検討した。その結果、下記構成を採用することにより前記目的を達成できることを見出して、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
即ち、本発明に係る蒸留方法は、前記の課題を解決する為に、沸点が０〜５０℃の範囲にある所定成分を含む溶液を加熱蒸発させることにより、前記成分のガスを生成する蒸留方法であって、前記溶液の加熱は、クローズドサイクル型ヒートポンプを用いて、前記成分のガス又はこれを含む混合ガスを凝縮温度−１０〜４０℃の範囲で冷却凝縮させることと同時に行うことを特徴とする。
【００１０】
従来の蒸留方法では、加熱に主としてスチームを使用し、冷却に冷却水（再冷水）を使用する。また、再冷水が使用できないシステムの場合や、凝縮温度が４０℃以下の場合、冷却には冷凍機が使用される。従って、冷却に冷凍機を用いる従来の蒸留方法においては、冷凍機の動力コストのみならずスチームのエネルギーコストも計上されるためエネルギー効率を低減させていた。
【００１１】
しかし本発明の方法であると、加熱手段としてのスチームを使用せず、前記ヒートポンプが低温側で回収した熱を加熱に使用するものである。その結果、冷熱と温熱の同時取り出しによるエネルギーの有効利用が可能になり、エネルギー効率が向上し、ひいては製造コストの低減が図れる。
【００１２】
ここで、凝縮温度が４０℃を超える場合は再冷水を使用すればよく、ヒートポンプを使うと、動力コストがかかるためかえってエネルギーコストを増大させるだけである。その一方、凝縮温度が−１０℃未満の場合、ヒートポンプにおける冷媒（作動流体）の蒸発圧力が低くなりすぎヒートポンプの効率が低下するので好ましくない。
【００１３】
また、沸点が５０℃を超える場合、ヒートポンプの冷媒（作動流体）の凝縮温度は６０℃を超え凝縮圧力が上昇する為、装置の耐圧性を高める必要がある。その結果、製造コストが上昇し、しかも圧縮比が大きくなり投入エネルギーも大きくなるので、ヒートポンプのエネルギー効率が低下する。沸点が０℃未満の場合、ヒートポンプの冷媒（作動流体）の凝縮圧力が低くなりすぎ、蒸発圧力との差圧が小さくなりヒートポンプが正常に作動しなくなる場合がある。
【００１４】
本発明にかかわるヒートポンプとしてはクローズドサイクル型を用いる。クローズドサイクル型を用いることにより、オープンサイクル型等の他の圧縮型サイクルにおける製品と潤滑油の相互汚染を防止でき、潤滑油の汚染のない製品が得られ、且つ、製品による圧縮機の潤滑油の汚染劣化がないため、故障が少ない安定的な蒸留運転ができる。
【００１５】
なお、本発明にかかわるクローズドサイクル型ヒートポンプの冷媒（作動流体）としては、所望のヒートポンプサイクルが形成できるものであれば限定されずアンモニア、Ｒ−２２（ＣＨＣｌＦ２）、Ｒ−１３４ａ（ＣＨ２ＦＣＦ３）などが好適に用いられる。特にアンモニアを用いるとヒートポンプの成績係数が大きくなり最適である。
【００１６】
前記の方法に於いては、前記溶液として濃度が８０重量％以上のフッ化水素を含むものを使用することが好ましい。
【００１７】
また、ヒートポンプの作動効率は、温熱側と冷熱側の温度差が近接すればするほど向上する。この為、前記方法に於いては、前記溶液を加熱蒸発させる際の沸点と、前記成分のガス又はこれを含む混合ガスを冷却凝縮させる際の凝縮温度との差が２０℃を超えないことが好ましい。
【００１８】
前記の方法に於いては、前記ヒートポンプに於ける冷熱側の取り出し温度が−２０〜３０℃の範囲内であり、温熱側の取り出し温度が１０〜６０℃の範囲内であることが好ましい。ヒートポンプの効率を高く維持し、エネルギーを効率的に運用できる作動温度範囲として、ヒートポンプに於ける冷熱側の取り出し温度及び温熱側の取り出し温度を前記数値範囲にすることにより、高いエネルギー効率で蒸留を有効に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明について、フッ化水素の蒸留方法を例にして以下に説明する。本実施の形態は、フッ化水素溶液を加熱蒸発させることにより少なくともフッ化水素ガスを生成するフッ化水素の蒸留方法であって、クローズドサイクル型ヒートポンプを用いて、前記フッ化水素溶液の加熱と共に、フッ化水素ガス又はこれを含む混合ガスを冷却凝縮させ、フッ化水素ガスをフッ化水素溶液として生成させることも同時に行う。尚、フッ化水素ガスを含む混合ガスを冷却凝縮させる場合は、混合ガスからフッ化水素ガスが分離されてフッ化水素溶液が得られる。
【００２０】
本発明で用いられるヒートポンプとしては特に限定されず、例えば、図１に示すものが使用される。同図に示すヒートポンプは、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３及び蒸発器４を冷媒配管５で接続した構成である。蒸発器４は熱を吸収する冷熱側であり、凝縮器２は熱を放出する温熱側である。前記圧縮機１は、冷媒を圧縮する。凝縮器２は、圧縮機１により圧縮された冷媒を冷却する。膨張弁３は、凝縮器２を通過した冷媒を膨張させる。蒸発器４は、膨張弁３により膨張した前記冷媒を蒸発させる。冷媒配管５は、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、及び蒸発器４に冷媒を循環させる。ヒートポンプの圧縮機１を駆動するモータは発電機により駆動される。また、冷媒は所望のヒートポンプサイクルが形成できるものであれば特に限定されずアンモニア、Ｒ−２２（ＣＨＣｌＦ２）、Ｒ−１３４ａ（ＣＨ２ＦＣＦ３）、などが好適に用いられる。特にアンモニアを用いるとヒートポンプの成績係数が大きくなり最適である。
【００２１】
ヒートポンプにおいて凝縮器２を介して供給される温熱は、フッ化水素溶液の加熱蒸発に使用される。その結果、フッ化水素ガスの生成が可能になる。温熱側である凝縮器２の温熱取り出し温度は、１０〜６０℃の範囲内であることが好ましく、２５〜５５℃の範囲内であることがより好ましく、４０〜５０℃の範囲内であることが特に好ましい。温熱取り出し温度が１０℃未満であると、ヒートポンプの凝縮圧力が下がり蒸発圧力との差圧が小さくなって合理的なヒートポンプシステムを構築できなくなる場合がある。その一方、温熱取り出し温度が６０℃を超えると、凝縮圧力が上昇する為、装置の耐圧性を高める必要がある。その結果、製造コストが上昇し、しかも圧縮比が大きくなり投入エネルギーも大きくなるので、ヒートポンプのエネルギー効率が低下する場合がある。
【００２２】
また、前記フッ化水素溶液を加熱蒸発させる際の沸点は０〜５０℃の範囲内であることが好ましく、１０〜４０℃の範囲内であることがより好ましく、１５〜２５℃の範囲内であることが特に好ましい。これにより、フッ化水素溶液の好適な蒸留が可能になる。沸点が５０℃を超えると、蒸留圧力も高くなりすぎて、長大で高価な高圧蒸留装置が必要となるとともに、ヒートポンプの凝縮温度も６０℃を超え凝縮圧力が上昇する為、装置の耐圧性を高める必要がある。その結果、製造コストが上昇し、しかも圧縮比が大きくなり投入エネルギーも大きくなるので、ヒートポンプのエネルギー効率が低下する。また、沸点が０℃未満であると、蒸留圧力が低くなりすぎて、長大で高価な減圧蒸留装置が必要となるとともにヒートポンプの冷媒（作動流体）の凝縮圧力が低くなりすぎ、蒸発圧力との差圧が小さくなりヒートポンプが正常に作動しなくなる場合がある。
【００２３】
加熱蒸発されるフッ化水素溶液としては、蒸留塔の底部で沸点が０〜５０℃の範囲にあるフッ化水素溶液であれば、有機化合物、無機化合物を問わず、またはその両方を含んでいても使用でき、また蒸留における効率を上げるための不活性ガスが混入していても差し支えないのは言うまでもない。特にはフッ化水素濃度が８０重量％以上のものを使用すると好ましく、金属材料に対する腐食性が軽減し炭素鋼、若しくはステンレススチールなどの安価で汎用な材料が蒸留装置の材料として使用できる。
【００２４】
ヒートポンプにおいて蒸発器４を介して供給される冷熱は、フッ化水素ガスを含む混合ガスの冷却凝縮に使用される。その結果、フッ化水素溶液の生成が可能になる。冷熱側である蒸発器４の冷熱取り出し温度は、−２０〜３０℃の範囲内であることが好ましく、  −１０〜１０℃の範囲内であることがより好ましく、−５〜５℃の範囲内であることが特に好ましい。
【００２５】
また、前記混合ガスを凝縮させる際の凝縮温度は−１０〜４０℃の範囲内であることが好ましく、０〜３０℃の範囲内であることがより好ましく、１５〜２５℃の範囲内であることが特に好ましい。凝縮温度が４０℃を超えると、蒸留圧力も高くなりすぎて、長大で高価な高圧蒸留装置が必要となるとともに、冷却には再冷水を使用すればよく、ヒートポンプを使うと、動力コストがかかるためかえってエネルギーコストを増大させるだけである。その一方、凝縮温度が−１０℃未満であると、蒸留圧力が低くなりすぎて、長大で高価な減圧蒸留装置が必要となるとともにヒートポンプにおける冷媒（作動流体）の蒸発圧力が低くなりすぎヒートポンプの効率が低下するので好ましくない。
【００２６】
尚、フッ化水素溶液を加熱蒸発させる際の蒸留塔の塔底部における沸点と、フッ化水素ガス又はこれを含む混合ガスを冷却凝縮させる際の塔頂部における凝縮温度との差は２０℃を超えないことが好ましく、１５℃を超えないことがより好ましい。沸点と凝縮温度との差を２０℃以内にして温熱側と冷熱側の温度差が近接させることにより、ヒートポンプの作動効率を一層向上させることができる。
【００２７】
本発明を適用するフッ化水素の蒸留圧力は０．０５ＭＰａ〜０．５ＭＰａが好ましく、０．０７ＭＰａ〜０．２ＭＰａが更に好ましく、０．０９ＭＰａ〜０．１２ＭＰａが特に好ましい。蒸留圧力が０．０５ＭＰａ未満の場合、及び０．５ＭＰａを超える場合は、高価で長大な減圧蒸留装置または高圧蒸留装置が必要になり好ましくない。
【００２８】
本発明に使用するヒートポンプは、クローズドサイクル型であるため直接にはヒートポンプ構成材料および冷媒はフッ化水素と接触することはなく、ごく一般的に、圧縮型冷凍機など使用される材料で作製される。蒸留塔の構成材質については、フッ化水素溶液に対して耐性、および耐食性を持つものであれば特には限定されず、炭素鋼、ステンレススチール、などの汎用材料、若しくはハステロイ、モネルなどの高級耐食材料、又はフッ素樹脂ライニングなどの樹脂ライニングなどが適宜フッ化水素溶液の腐食性に応じて使用される。特に、フッ化水素濃度が８０重量％以上の溶液については、金属材料に対する腐食性が軽減し、炭素鋼又はステンレススチールなどの安価で汎用な材料が蒸留装置の材料として使用できるので好ましい。
【００２９】
以上の通り、本発明に係る蒸留方法は、減圧蒸留、常圧蒸留、加圧蒸留を問わずヒートポンプを用いて蒸留を行うことが可能であり、エネルギー効率の向上及び製造コストの低減が図れる。特に、フッ化水素の蒸留に本発明を適用する場合、常圧において前述の種々の温度条件等を満たすならば、高価な減圧蒸留装置や高圧蒸留装置を必要とせず最適である。
【実施例】
【００３０】
以下に、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、この実施例及び比較例に記載されている材料や配合量等は、特に限定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００３１】
（実施例１）
フッ化水素９０重量％及び水１０重量％からなるフッ化水素溶液に対し、図２に示すヒートポンプを適用した装置を用いて、大気圧下で連続蒸留を行った。
【００３２】
９０重量％フッ化水素水溶液を毎時１５０ｋｇの速度で蒸留塔へ仕込み、塔頂熱交換器１１で凝縮したフッ化水素のうち還流液として毎時５０ｋｇを塔頂へ供給した。残りのフッ化水素を毎時５０ｋｇの速度で製品として抜き取った。同時に、塔底熱交換器１３で塔底液を加熱蒸発させる一方、毎時１００ｋｇを缶出液として抜き取った。塔頂製品の組成はフッ化水素９９．９９９重量％以上、水分１０ｐｐｍｗｔ以下であった。一方、缶出液の組成は、フッ化水素８５重量％、水１５重量％であった。
【００３３】
このとき、塔頂熱交換器１１に対しては、ブライン配管１２を介してヒートポンプからブラインを−５℃で供給した。塔頂熱交換器１１における交換熱量は４１９００ｋＪ／ｈｒであり、塔頂フッ化水素蒸気の温度は２０℃であった。
【００３４】
一方、塔底熱交換器１３に対しては、温水配管１４を介してヒートポンプから温水を５０℃で供給した。塔底熱交換器１３における交換熱量は５１３００ｋＪ／ｈｒであり、塔底発生フッ化水素蒸気の温度は３５℃であった。
【００３５】
尚、熱交換器１５に対しては、冷却水配管１６を介して冷却水を３０℃で供給しヒートポンプにおける冷熱と温熱の使用量の調整を行った。熱交換器１５における交換熱量は、９３７４ｋＪ／ｈｒであった。
【００３６】
このときのヒートポンプの熱媒（作動流体）としてはアンモニアを使用し温熱の出力は６０６７３ｋＪ／ｈｒとなり、温熱取り出しの成績係数は３．２３であった。他方、冷熱の出力は４１９００ｋＪ／ｈｒとなり、冷熱取り出しの成績係数は２．２３であった。
【００３７】
この蒸留方法における、ヒートポンプの使用電力は５．２１ｋＷであり、塔底熱交換器の加熱媒体としてスチームを使用することなく蒸留を行なうことが可能であった。５１３００ｋＪ／ｈｒの塔底の交換熱量をスチームに換算し、毎時２０ｋｇの省エネルギーを達成した。
【００３８】
（比較例１）
フッ化水素９０重量％及び水１０重量％からなるフッ化水素溶液に対し、図３に示す装置を用いて大気圧下で連続蒸留を行った。尚、同図に示す装置は、ボイラーから供給されるスチームを加熱に使用すると共に、冷凍機を冷却に使用する構成である。
【００３９】
９０重量％フッ化水素水溶液を毎時１５０ｋｇの速度で蒸留塔へ仕込み、塔頂熱交換器１１で凝縮したフッ化水素のうち還流液として毎時５０ｋｇを塔頂へ供給した。残りのフッ化水素を毎時５０ｋｇの速度で製品として抜き取った。同時に、塔底熱交換器で塔底液を加熱蒸発させる一方、毎時１００ｋｇを缶出液として抜き取った。塔頂製品の組成はフッ化水素９９．９９９重量％以上、水分１０ｐｐｍｗｔ以下であった。一方、缶出液の組成はフッ化水素８５重量％、水１５重量％であった。
【００４０】
このとき、塔頂熱交換器１１に対しては、ブライン配管１２を介して冷凍機からブラインを−５℃で供給した。塔頂熱交換器１１における交換熱量は４１９００ｋＪ／ｈｒであり、塔頂フッ化水素蒸気の温度は２０℃であった。
【００４１】
一方、塔底熱交換器１３に対しては、スチーム配管１７を介してスチームを１００℃で供給した。塔底熱交換器１３における交換熱量は５１３００ｋＪ／ｈｒであり、塔底発生フッ化水素蒸気の温度は３５℃であった。
【００４２】
このときの冷凍機の熱媒（作動流体）としてはアンモニアを使用し冷凍機の出力は   ４１９００ｋＪ／ｈｒとなり、成績係数は２．９１であった。この蒸留方法における冷凍機の使用電力は４．０KＷで、スチームの使用量は毎時２０ｋｇであった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の一形態に係るヒートポンプを概略的に示す説明図である。
【図２】本発明における実施例１で使用した装置を概略的に示す説明図である。
【図３】比較例１で使用した装置を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    圧縮機
２    凝縮器
３    膨張弁
４    蒸発器
５    冷媒配管
１１    塔頂熱交換器
１２    ブライン配管
１３    塔底熱交換器
１４    温水配管
１５    熱交換器
１６    冷却水配管
１７    スチーム配管
【図１】
2009136713.tif 000003
【図２】
2009136713.tif 000004
【図３】
2009136713.tif 000005