JP6879025B2

JP6879025B2 - 蒸留装置

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Publication number: JP6879025B2
Application number: JP2017078311A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　直樹; 直樹佐藤; 邦彦中野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2037-04-11
Also published as: JP2018176055A

Description

本開示は、低沸点成分と高沸点成分とを含んで構成される原料液を、留出液と缶出液とに分離する蒸留装置に関する。

アルコール飲料、食用油、石油化学製品等の蒸留、アンモニアの除去、二酸化炭素の回収、および、医薬品の製造等に蒸留装置が用いられている。蒸留装置は、低沸点成分と高沸点成分とを含んで構成される原料液を、留出液と缶出液とに分離する装置である。

このような蒸留装置として、複数の棚が内部に設けられた棚段塔と、リボイラ（回収部）と、コンデンサ（濃縮部）とを備えた装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の蒸留装置では、棚段塔の中央に原料液が供給される。リボイラは、棚段塔の底部から排出された液を加熱して蒸気を生成する。リボイラによって生成された蒸気は、棚段塔の底部に還流される。コンデンサは、棚段塔の頂部から排出された蒸気を冷却して留出液を生成する。コンデンサによって生成された留出液の一部は、棚段塔の頂部に還流される。

特開２００３−０８９６７４号公報

上記特許文献１の蒸留装置では、棚段塔、リボイラ、および、コンデンサが大気圧以上となっている。このため、低沸点成分の沸点が相対的に高い場合、低沸点成分を蒸発させるためにリボイラで液を加熱すると、低沸点成分が変性してしまうおそれがある。

本開示は、このような課題に鑑み、低沸点成分の変性を抑制することが可能な蒸留装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の蒸留装置は、留出流体排出口と、缶出液排出口と、前記留出流体排出口と前記缶出液排出口との間に設けられた原料液供給口とを有する本体と、前記本体における前記原料液供給口と前記缶出液排出口との間を加熱する回収部と、前記本体における前記原料液供給口と前記留出流体排出口との間を冷却する濃縮部と、を有する１または複数の蒸留部と、前記缶出液排出口に接続され、ベント口を有する缶出液貯留容器と、前記留出流体排出口に接続され、ベント口を有する留出流体貯留容器と、少なくとも前記蒸留部、前記缶出液貯留容器、前記留出流体貯留容器を収容する減圧容器と、を備える。

また、前記蒸留部の前記本体に原料液を供給する原料液供給ポンプを備えてもよい。

また、前記減圧容器内に設けられた、ベント口を有する原料液貯留容器を備え、前記原料液供給ポンプは、前記原料液貯留容器に貯留された原料液を前記原料液供給口に供給してもよい。

また、前記蒸留部は、前記本体の底面から立設し、前記原料液供給口側から前記缶出液排出口側に延在した１または複数の第１のリブと、前記本体の底面から立設し、前記留出流体排出口側から前記原料液供給口側に延在した１または複数の第２のリブと、を有してもよい。

本開示によれば、低沸点成分の変性を抑制することが可能となる。

蒸留装置の概略的な構成を説明する図である。分離ユニットの分解斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

（蒸留装置１００）
図１は、蒸留装置１００の概略的な構成を説明する図である。なお、図１中、液体の流れを実線の矢印で示し、気体の流れを破線の矢印で示し、気液混合物の流れを一点鎖線の矢印で示す。蒸留装置１００は、低沸点成分（例えば、沸点が１００℃以上）と、低沸点成分より沸点が高い高沸点成分とを含んで構成される原料液を、原料液より低沸点成分が高濃度の留出液と、原料液より高沸点成分が高濃度の缶出液とに分離する装置である。原料液は、例えば、食用油、生理活性物質等である。

図１に示すように、蒸留装置１００は、原料液貯留タンク１１０と、第１原料液供給ポンプ１１２（原料液供給ポンプ）と、原料液貯留容器１１４と、第２原料液供給ポンプ１１６（原料液供給ポンプ）と、蒸留部１２０と、缶出液排出ポンプ１３０と、缶出液貯留容器１３２と、第１冷却部１３４と、缶出液送出ポンプ１３６と、留出流体貯留容器１４０と、第２冷却部１４２と、留出液送出ポンプ１４４と、減圧容器１５０と、減圧ポンプ１５２と、ミストフィルタ１５４とを含んで構成される。

原料液貯留タンク１１０は、原料液を貯留する容器である。原料液貯留タンク１１０は、内部空間が窒素（Ｎ_２）で置換（パージ）される。これにより、原料液の酸化を防止することができる。第１原料液供給ポンプ１１２は、吸入側が、原料液貯留タンク１１０に接続され、吐出側が、原料液貯留容器１１４に接続される。第１原料液供給ポンプ１１２は、原料液貯留タンク１１０内に貯留された原料液を原料液貯留容器１１４に送出する。

原料液貯留容器１１４は、第１原料液供給ポンプ１１２によって原料液貯留タンク１１０から送出された原料液を貯留する。原料液貯留容器１１４は、上面にベント口（開口）が形成された容器（以下、「ベント付容器」と称する）で構成される。第２原料液供給ポンプ１１６は、吸入側が、配管を介して、原料液貯留容器１１４に接続される。第２原料液供給ポンプ１１６は、吐出側が、配管を介して、蒸留部１２０（原料液供給口２１２ｃ）に接続される。第２原料液供給ポンプ１１６は、原料液貯留容器１１４に貯留された原料液を蒸留部１２０に供給する。

蒸留部１２０は、原料液を蒸留する。蒸留部１２０は、分離ユニット１２２と、回収部１２４と、濃縮部１２６とを含んで構成される。分離ユニット１２２は、ステンレス鋼等の金属材料で構成され、内部に原料液を収容する。

図２は、分離ユニット１２２の分解斜視図である。本実施形態の図２では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。図２に示すように、分離ユニット１２２は、本体２１０と、リブ２２０Ａ、２２０Ｂとを含んで構成される。

本体２１０は、金属材料で形成された角柱形状の中空部材である。本体２１０は、底面２１２と、上面２１４と、側面２１６とを含んで構成される。底面２１２の一端側には、留出流体排出口２１２ａが形成されている。底面２１２の他端側には、缶出液排出口２１２ｂが形成されている。また、底面２１２における留出流体排出口２１２ａと缶出液排出口２１２ｂとの間には、原料液供給口２１２ｃが形成されている。

リブ２２０Ａ（第１のリブ）は、底面２１２から立設し、原料液供給口２１２ｃ側から缶出液排出口２１２ｂ側に延在した部材である。リブ２２０Ｂ（第２のリブ）は、底面２１２から立設し、留出流体排出口２１２ａ側から原料液供給口２１２ｃ側に延在した部材である。リブ２２０Ａ、２２０Ｂは、それぞれ複数（ここでは、６）設けられる。本実施形態において、リブ２２０Ａ、２２０Ｂは、基端２２２の幅（図２中Ｘ軸方向の幅）が、先端２２４の幅より大きい。また、リブ２２０Ａ、２２０Ｂの先端２２４は、上面２１４と離隔している。

分離ユニット１２２の寸法関係について説明する。隣り合うリブ２２０Ａの基端２２２間の距離は、例えば、１ｍｍ程度である。隣り合うリブ２２０Ａの先端２２４間の距離は、例えば、２ｍｍ程度である。なお、隣り合うリブ２２０Ｂ間の距離は、隣り合うリブ２２０Ａ間の距離と実質的に等しい。リブ２２０Ａ、２２０Ｂの高さ（基端２２２から先端２２４までの高さ、図２中Ｚ軸方向の高さ）は、例えば、３ｍｍ程度である。また、リブ２２０Ａ、２２０Ｂの先端２２４と上面２１４との距離は、例えば、１００μｍ〜１０ｍｍ程度（ここでは、１ｍｍ）である。さらに、留出流体排出口２１２ａの中心から缶出液排出口２１２ｂの中心までの長さＬは、例えば、３００ｍｍである。

また、本実施形態において、分離ユニット１２２（底面２１２、上面２１４）は、留出流体排出口２１２ａから缶出液排出口２１２ｂに向かって鉛直下方（図２中Ｚ軸方向）に傾斜している。なお、分離ユニット１２２の傾斜角は、例えば、２．５度程度である。

図１に戻って説明すると、回収部１２４は、例えば、電気ヒータ、オイルヒータ等で構成される。回収部１２４は、分離ユニット１２２の本体２１０における原料液供給口２１２ｃと缶出液排出口２１２ｂとの間を加熱する。回収部１２４は、本体２１０内における原料液供給口２１２ｃと缶出液排出口２１２ｂとの間を低沸点成分の沸点以上に加熱する。

濃縮部１２６は、例えば、水冷装置、油冷装置等で構成される。濃縮部１２６は、分離ユニット１２２の本体２１０における原料液供給口２１２ｃと留出流体排出口２１２ａとの間を冷却する。濃縮部１２６は、本体２１０内における原料液供給口２１２ｃと留出流体排出口２１２ａとの間を低沸点成分の沸点未満に冷却する。

缶出液排出ポンプ１３０は、吸入側が、配管を介して、缶出液排出口２１２ｂに接続される。缶出液排出ポンプ１３０は、吐出側が、配管を介して、缶出液貯留容器１３２に接続される。缶出液排出ポンプ１３０は、缶出液排出口２１２ｂを通じて、分離ユニット１２２から缶出液を抜き出す。缶出液貯留容器１３２は、ベント付容器で構成される。缶出液貯留容器１３２は、缶出液排出ポンプ１３０によって抜き出された缶出液を貯留する。第１冷却部１３４は、低沸点成分の沸点未満に缶出液貯留容器１３２を冷却する。缶出液送出ポンプ１３６は、吸入側が、配管を介して、缶出液貯留容器１３２に接続される。缶出液送出ポンプ１３６は、缶出液貯留容器１３２に貯留された缶出液を外部に送出する。なお、缶出液貯留容器１３２と缶出液送出ポンプ１３６とを接続する配管には、逆止弁１３６ａが設けられている。

留出流体貯留容器１４０は、ベント付容器で構成される。留出流体貯留容器１４０は、留出流体排出口２１２ａを通じて、分離ユニット１２２から排出された留出流体（気液混合物）を貯留する。第２冷却部１４２は、低沸点成分の沸点未満に留出流体貯留容器１４０を冷却する。したがって、留出流体貯留容器１４０に導入された留出流体は凝縮して液体（留出液）となる。留出液送出ポンプ１４４は、吸入側が、配管を介して、留出流体貯留容器１４０に接続される。留出液送出ポンプ１４４は、留出流体貯留容器１４０に貯留された留出液を外部に送出する。なお、留出流体貯留容器１４０と留出液送出ポンプ１４４とを接続する配管には、逆止弁１４４ａが設けられている。

減圧容器１５０は、密閉された容器である。減圧容器１５０は、原料液貯留容器１１４、第２原料液供給ポンプ１１６、蒸留部１２０、缶出液排出ポンプ１３０、缶出液貯留容器１３２、留出流体貯留容器１４０を内部に収容する。

減圧ポンプ１５２は、吸入側が、配管を介して、減圧容器１５０に接続される。減圧ポンプ１５２は、減圧容器１５０を減圧する。減圧ポンプ１５２は、減圧容器１５０内を、例えば、１Ｐａ以上１００Ｐａ未満に減圧する。なお、減圧ポンプ１５２と減圧容器１５０とを接続する配管には、ミストフィルタ１５４が設けられている。

続いて、蒸留装置１００による原料液の蒸留について説明する。まず、第１原料液供給ポンプ１１２によって、原料液貯留タンク１１０から原料液貯留容器１１４に原料液が送出される。原料液貯留容器１１４は、ベント付容器で構成され、また、減圧容器１５０内に収容される。このため、原料液貯留容器１１４のベント口を通じて、原料液から窒素を脱気することができる。なお、減圧容器１５０内は、原料液貯留容器１１４から脱気された窒素で満たされることになる。

第２原料液供給ポンプ１１６は、原料液貯留容器１１４から分離ユニット１２２の原料液供給口２１２ｃに原料液を供給する。上記したように分離ユニット１２２は、留出流体排出口２１２ａから缶出液排出口２１２ｂに向かって鉛直下方に傾斜している。このため、原料液は、分離ユニット１２２内（リブ２２０Ａ間、リブ２２０Ｂ間）を缶出液排出口２１２ｂに向かって流れる。

分離ユニット１２２内における原料液供給口２１２ｃと缶出液排出口２１２ｂとの間は、回収部１２４によって、低沸点成分の沸点以上に加熱されている。このため、原料液は、分離ユニット１２２内を原料液供給口２１２ｃから缶出液排出口２１２ｂに向かって流れる過程で加熱される。これにより、分離ユニット１２２において、原料液から、低沸点成分を多く含む蒸気（気体）が生成される。

なお、原料液供給口２１２ｃから缶出液排出口２１２ｂに向かうに従って、低沸点成分を多く含む蒸気（以下、単に「蒸気」と称する）の生成量が増加する。このため、分離ユニット１２２内における原料液供給口２１２ｃ側と、缶出液排出口２１２ｂ側とで圧力差が生じる。つまり、缶出液排出口２１２ｂ側の方が、原料液供給口２１２ｃ側よりも圧力が高くなる。したがって、分離ユニット１２２内において生成された蒸気は、液体の流れと逆方向、すなわち、原料液供給口２１２ｃ（留出流体排出口２１２ａ）に向かって流れる。

分離ユニット１２２内における原料液供給口２１２ｃと留出流体排出口２１２ａとの間は、濃縮部１２６によって、低沸点成分の沸点未満に冷却されている。このため、蒸気は、分離ユニット１２２内を原料液供給口２１２ｃから留出流体排出口２１２ａに向かって流れる過程で冷却される。これにより、分離ユニット１２２において、蒸気に含まれる低沸点成分および高沸点成分が凝縮して液体（凝縮液）となる。そして、凝縮液は、缶出液排出口２１２ｂに向かって自重で流れる。これにより、還流が為され、低沸点成分と高沸点成分の蒸留効率を向上することが可能となる。

そして、分離ユニット１２２内における留出流体排出口２１２ａの上方の領域において凝縮された液体および気体が留出流体として留出流体排出口２１２ａを通じて留出流体貯留容器１４０に貯留される。なお、留出流体貯留容器１４０は、ベント付容器で構成されるが、第２冷却部１４２によって低沸点成分未満に冷却されている。したがって、留出流体貯留容器１４０のベント口から放出される気体はほとんどない。そして、留出液送出ポンプ１４４は、留出流体貯留容器１４０から外部に留出液を送出する。なお、上記したように、留出流体貯留容器１４０と留出液送出ポンプ１４４とを接続する配管には、逆止弁１４４ａが設けられている。これにより、留出液送出ポンプ１４４から留出流体貯留容器１４０へ留出液や空気が逆流してしまう事態を防止することができる。

一方、分離ユニット１２２において蒸気が取り除かれた液体（蒸発しなかった液体）は、缶出液として缶出液排出口２１２ｂを通じて、缶出液排出ポンプ１３０によって分離ユニット１２２外に抜き出される。缶出液排出ポンプ１３０によって抜き出された缶出液は、缶出液貯留容器１３２に貯留される。缶出液貯留容器１３２は、ベント付容器で構成されるが、第１冷却部１３４によって低沸点成分未満に冷却されている。したがって、缶出液貯留容器１３２のベント口から放出される気体はほとんどない。そして、缶出液送出ポンプ１３６は、缶出液貯留容器１３２から外部に缶出液を送出する。なお、上記したように、缶出液貯留容器１３２と缶出液送出ポンプ１３６とを接続する配管には、逆止弁１３６ａが設けられている。これにより、缶出液送出ポンプ１３６から缶出液貯留容器１３２へ缶出液や空気が逆流してしまう事態を防止することができる。

以上説明したように、本実施形態の蒸留装置１００では、原料液貯留容器１１４、第２原料液供給ポンプ１１６、蒸留部１２０、缶出液排出ポンプ１３０、缶出液貯留容器１３２、留出流体貯留容器１４０を減圧容器１５０内に収容する。これにより、蒸留部１２０を構成する分離ユニット１２２内を大気圧未満に減圧することができる。したがって、原料液に含まれる低沸点成分の沸点を低下させることが可能となる。このため、分離ユニット１２２内が大気圧以上である場合と比較して、回収部１２４による加熱温度を低下させることができる。したがって、低沸点成分の変性を抑制することが可能となる。また、分離ユニット１２２内が大気圧以上である場合と比較して、回収部１２４の消費エネルギーを削減することができる。

なお、分離ユニット１２２内を減圧ポンプで減圧する構成も考えられる。しかし、この構成では、減圧ポンプで吸引した分、分離ユニット１２２内の蒸気が減少してしまうため、留出液が低減するという問題がある。

これに対し、本実施形態の蒸留装置１００は、原料液貯留容器１１４、缶出液貯留容器１３２、留出流体貯留容器１４０のベント口のみから低沸点成分が放出されるだけである。なお、原料液貯留容器１１４は常温（例えば、２５℃）であるため、低沸点成分はほとんど放出されない。また、缶出液貯留容器１３２、留出流体貯留容器１４０には、常温より高温の液が供給されるが、第１冷却部１３４、第２冷却部１４２によって冷却されている。このため、缶出液貯留容器１３２、留出流体貯留容器１４０からも低沸点成分は殆ど放出されない。したがって、分離ユニット１２２内を減圧ポンプで減圧する構成と比較して、留出液を増加させることができる。

なお、原料液貯留容器１１４、缶出液貯留容器１３２、留出流体貯留容器１４０のベント口から放出された極少量の低沸点成分は、ミストフィルタ１５４によって捕集される。このため、減圧ポンプ１５２に低沸点成分が混入する事態を回避することができる。

また、本実施形態の蒸留装置１００では、原料液や凝縮液がリブ２２０Ａ間、または、リブ２２０Ｂ間を流れるように分離ユニット１２２が構成されている。液体が流れる流路幅が大きいと、液体の表面張力によって、流路の端部側を流れる液体の流速と、流路の中央側を流れる液体の流速との差が大きくなってしまう。そこで、リブ２２０Ａ間およびリブ２２０Ｂ間の幅を２ｍｍ以下とすることで、流路の端部側を流れる液体の流速と、流路の中央側を流れる液体の流速との差を小さくすることができ、流路内における流速の均一化を図ることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、減圧容器１５０内に１の蒸留部１２０が収容される構成を例に挙げて説明した。しかし、減圧容器１５０内に複数の蒸留部１２０が収容されてもよい。

また、上記実施形態において、ベント付容器が、上面にベント口が形成された容器である場合を例に挙げて説明した。しかし、ベント付容器は、側面にベント口が形成されていてもよい。

また、上記実施形態において、蒸留装置１００が、減圧容器１５０内に収容された原料液貯留容器１１４および第２原料液供給ポンプ１１６を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、原料液貯留容器１１４、第２原料液供給ポンプ１１６は、必須の構成ではない。例えば、減圧容器１５０外に配される第１原料液供給ポンプ１１２が、原料液供給口２１２ｃに原料液を直接供給してもよい。また、この場合、第１原料液供給ポンプ１１２に代えて原料液貯留タンク１１０と原料液供給口２１２ｃとを接続する配管に流量調整弁を備えてもよい。流量調整弁の開度を制御することで、原料液の供給量を制御することができる。

また、上記実施形態において、分離ユニット１２２の底面２１２が留出流体排出口２１２ａから缶出液排出口２１２ｂに向かって鉛直下方に傾斜している構成について説明した。しかし、底面２１２は、水平方向に延在していてもよい。

また、上記実施形態において、分離ユニット１２２の寸法関係や傾斜角について説明した。しかし、分離ユニット１２２は、原料液における低沸点成分と高沸点成分との割合、目的とする蒸留効率、第２原料液供給ポンプ１１６による原料液の供給流速（処理速度）に基づいて、適宜設定されればよい。

また、上記実施形態において、分離ユニット１２２がリブ２２０Ａ、２２０Ｂを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、リブ２２０Ａ、２２０Ｂに代えて多孔質体を本体２１０上に載置してもよい。多孔質体を載置することで、リブ２２０Ａ、２２０Ｂを設ける構成と同様に、流路の端部側を流れる液体の流速と、流路の中央側を流れる液体の流速との差を小さくすることができる。

また、上記実施形態において、留出流体排出口２１２ａ、缶出液排出口２１２ｂ、および、原料液供給口２１２ｃが底面２１２に形成される構成を例に挙げて説明した。しかし、留出流体排出口２１２ａ、缶出液排出口２１２ｂ、および、原料液供給口２１２ｃの群から選択される１または複数は、側面２１６に形成されてもよい。

本発明は、低沸点成分と高沸点成分とを含んで構成される原料液を、留出液と缶出液とに分離する蒸留装置に利用することができる。

１００蒸留装置
１１２第１原料液供給ポンプ（原料液供給ポンプ）
１１４原料液貯留容器
１１６第２原料液供給ポンプ（原料液供給ポンプ）
１２０蒸留部
１２４回収部
１２６濃縮部
１３２缶出液貯留容器
１４０留出流体貯留容器
１５０減圧容器
２１０本体
２１２底面
２１２ａ留出流体排出口
２１２ｂ缶出液排出口
２１２ｃ原料液供給口
２２０Ａリブ（第１のリブ）
２２０Ｂリブ（第２のリブ）

Claims

留出流体排出口と、缶出液排出口と、前記留出流体排出口と前記缶出液排出口との間に設けられた原料液供給口とを有する本体と、前記本体における前記原料液供給口と前記缶出液排出口との間を加熱する回収部と、前記本体における前記原料液供給口と前記留出流体排出口との間を冷却する濃縮部と、を有する１または複数の蒸留部と、
前記缶出液排出口に接続され、ベント口を有する缶出液貯留容器と、
前記留出流体排出口に接続され、ベント口を有する留出流体貯留容器と、
少なくとも前記蒸留部、前記缶出液貯留容器、前記留出流体貯留容器を収容する減圧容器と、
を備える蒸留装置。
前記蒸留部の前記本体に原料液を供給する原料液供給ポンプを備える請求項１に記載の蒸留装置。
前記減圧容器内に設けられた、ベント口を有する原料液貯留容器を備え、
前記原料液供給ポンプは、前記原料液貯留容器に貯留された原料液を前記原料液供給口に供給する請求項２に記載の蒸留装置。
前記蒸留部は、
前記本体の底面から立設し、前記原料液供給口側から前記缶出液排出口側に延在した１または複数の第１のリブと、
前記本体の底面から立設し、前記留出流体排出口側から前記原料液供給口側に延在した１または複数の第２のリブと、
を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の蒸留装置。