JPH0722641B2

JPH0722641B2 - 吸湿性化合物水溶液の濃縮方法

Info

Publication number: JPH0722641B2
Application number: JP61248509A
Authority: JP
Inventors: 甫稲垣; 義之今給黎
Original assignee: 日鉄化工機株式会社
Priority date: 1986-10-21
Filing date: 1986-10-21
Publication date: 1995-03-15
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: JPS63104603A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は硫酸などの如き吸湿性の強い化合物と水とから
なる溶液の真空濃縮方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に硫酸や燐酸などの強酸、苛性ソーダや苛性カリな
どの強アルカリ、あるいは各種金属の塩化物、硝酸塩な
どのうちで、吸湿性の強い化合物等と水との混合物（以
下水溶液と称する）は脱水濃縮が困難で、多大のエネル
ギーを要する場合が多く、かつ腐食性も強いという問題
がある。

これら水溶液の濃縮方法としては、スプレータワーや液
中燃焼等の如く、高温ガスと水溶液が直接接触する方法
と、直接蒸煮によるもの、多重効用缶によるもの、流下
液膜法によるもの、あるいはフラツシユ蒸発によるもの
の如く、主に伝熱面を介して間接加熱を行う方法があ
り、これらは情況に応じて適宜使用される。この際水分
の含有量が減少するに従つて、水溶液の沸点上昇が著し
くなり、濃縮に高温を要するようになる。このため腐食
など材質上や、エネルギーの有効利用の問題などの点か
ら温度を下げるべく、濃縮操作は減圧下に行われること
が多くなる。

今、例を硫酸の濃縮に採つて従来法について説明する
と、次のようなものがある。

（１）直火によるもの、ポーリング（Pauling）式硫
酸濃縮法、カスケード式硫酸濃縮法などがあるが、鋳鉄
あるいは珪素鉄製の煮詰容器に材質的な問題があり、長
期の連続運転に耐えず、また熱効率も低いとされてい
る。

（２）酸液と高温ガスが直接接触するもの、比較的低
濃度までの濃縮に適するものとして液中燃焼によるも
の、高濃度用としてケミコ式ドラム型硫酸濃縮法がよく
知られている。これらはほぼ大気圧近くで操作され熱の
利用効率も高いが、霧状の硫酸ミストが発生しやすく、
その除害に多大の設備と費用を要する。

（３）真空法、これは上記（２）と異なり、間接加熱
であり、シモンソン、マンチウス（Simonson−Mantiu
s）真空法あるいは頭文字をとつてSM式硫酸濃縮法とし
て知られている方法である。本法は予備的な濃縮缶を除
けばメインは前後２部の濃縮缶からなり、前部で大凡50
〜70mmHgの圧力下、80数％程度の硫酸となし、後部で５
〜10mmHgの圧力下85〜93％の濃硫酸を得るものである。
これらの場合、温度はいずれも170℃以下の低温に保持
される。従つて熱硫酸による有機物の分解、硫酸自身の
分解、装置の腐食等は大いに軽減される。しかして各缶
の真空度はいずれもスチームエジエクターと大気脚凝縮
器によつて保持され、高真空側にはスチームブースター
が付加される。

このうち上記のSM法を多少変形した従来法による硫酸濃
縮法を図によつて説明する。

第２図において原料の稀硫酸は管路11を通つて前濃縮缶
F11に送られる。缶液はポンプP11によつて循環され、熱
交換器H11により加熱される。缶内はスチームエジエク
ターE12、E13及び凝縮器C11、C12、C13並びに大気脚
（図示せず）によつて真空に保たれる。その圧力は蒸発
のみの観点からは低い方が好ましいが、大気脚を用いる
関係上水の蒸気圧と一般の冷却水水温とにより制限され
るので、通常60Torr（水温41.5℃の蒸気圧）前後に抑え
られることが多い。蒸発した水分は濃縮缶F11の上部か
ら管部14により排出され、前記の各スチームエジエクタ
ー及び凝縮器の作用で吸引凝縮され、大気脚下端から排
出される。一方前段の濃縮を受けた硫酸水溶液は管路12
を経て次の高度濃縮缶F12でさらに高真空下において蒸
発濃縮される。ここでも缶液はポンプP12によりスチー
ム加熱の熱交換器H12を通つて加熱循環される。高度濃
縮缶F12の真空はスチームエジエクターE11と、大量のス
チームを使用するスチームブースターE14によつて常温
において水の凝縮し難い高真空、例えば１〜10Torrに保
たれる。スチームブースターE14は大量の水蒸気を吸引
し、かつ大気脚の使用できる圧力まで圧縮するので多量
の駆動用水蒸気を必要とする。ここでの温度は最終製品
の濃度、蒸気分圧、高温度での腐食性のほか、物によつ
ては融点とか結晶析出の有無等によつて決定されるが、
溶質が硫酸の場合、特に高級な材質を用いないときは最
高170℃程度、通常130〜150℃である。

蒸発した水蒸気は管路15を経てスチームエジエクターE1
1によつて全量が吸引され、さらにスチームブースターE
14により全量が吸引圧縮され凝縮器C11で凝縮し、前濃
縮缶F11からの水分と一緒に混合して大気脚端から排出
される。各濃縮缶では水蒸気に同伴して多少のミストが
発生し、溶質の損失が起きるが、これは凝縮器C11で大
量の凝縮水によつて希釈されてしまうので回収されるこ
とは少ない。特に硫酸の場合、濃度85％以上では硫酸の
蒸気圧も無視し難くなり、損失は濃度の上昇と共に急激
に増大する。例えば93％硫酸の場合蒸発蒸気中の23重量
％にも達する。

従つて濃縮を微分的に行わせるため、濃縮缶内を仕切つ
て多段とすることもよく行われる手段であるが、いずれ
にしても従来の方式では蒸気に同伴する溶質は損失とな
る場合が多く、凝縮液に溶け込んで希薄化した酸液等は
公害防止上中和等の除害処理を要することになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の真空法による濃縮法においては大気脚凝縮器の利
用ができない高真空発生の必要上、スチームエジエクタ
ーならびにブースターによつて使用される水蒸気原単位
が極めて大きいこと、蒸発缶の高濃度部で発生するミス
ト、あるいは蒸発によつて水蒸気に同伴する溶質部分の
有効な回収手段を欠き、かつ何等かの後処理を要するこ
となどの問題点があつた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記のような問題点を解決しようとするもので
あつて、吸湿性の化合物の水溶液を、少なくとも１個の
前濃縮缶と高度濃縮缶とを用いて濃縮して高濃度とする
際に、高度濃縮缶から真空濃縮によって発生する水蒸気
を、その水蒸気分圧よりも低い水蒸気分圧を有する同じ
化合物の水溶液と接触させて吸収するとともに、前記の
水蒸気を吸収して希釈された水溶液を前濃縮缶に送って
濃縮し、この濃縮液を高度濃縮缶に送って高濃度とする
ことを特徴とする吸湿性化合物水溶液の濃縮方法であ
る。

本発明を図によつて詳細に説明する。第１図は本発明の
一実施態様である。吸湿性化合物の水溶液として原料希
硫酸は管路１を通つて吸収冷却器C4において高度濃縮缶
F2で発生する蒸気を吸収し、所定の濃度と温度まで希釈
冷却されて管路１′を経て必要に応じて貯槽T1に貯蔵さ
れる。この水溶液はポンプP3によつて管路１″を経て前
濃縮缶F1に送られる。缶液はポンプP1によつて循環さ
れ、熱交換器H1により、所定の温度にスチーム加熱され
る。缶F2内はスチームエジエクターE2、E3と、凝縮器C
1、C2、C3ならびに大気脚（図示せず）によつて真空に
保たれる。蒸発した水分は前濃縮缶F1の上部から管路４
により排出され、前記の各スチームエジエクターおよび
凝縮器の作用で吸引凝縮され、大気脚下端から排出され
る。一方前濃縮を受けた硫酸水溶液は管路２を経て、次
の高度濃縮缶F2でさらに高真空下において蒸発濃縮され
る。ここでも缶液はポンプP2により熱交換器H2を通つて
循環、スチーム加熱される。高度濃縮缶F2の真空はスチ
ームエジエクターE1とスチームブースターE4によつて高
真空に保たれるが、従来法と全く異なり、高度濃縮缶F2
から発生する水蒸気は管路５を経て吸収冷却器C4に送ら
れ、同時に同所に送られる原料希硫酸中に吸収混合冷却
されて殆ど全部が管路１′、１″を経て低真空の前濃縮
缶F1に送られ、そこで水蒸気が発生し管路４より排出さ
れる。この際管路１′をいわゆるバロメトリツクレツグ
とすることは理にかなつている。従つて吸収冷却器C4に
送られる原料希硫酸の濃度は、濃縮缶F2で発生する水蒸
気の大部分の吸収後の硫酸水溶液の水蒸気分圧が高度濃
縮缶F2の圧力と少なくとも同じか、低くなる程度を要す
る。この混合後の許容濃度は吸収冷却器に用いられる冷
却水の水温によつても支配されるが、常温付近で40〜70
％の濃度であれば充分といえる。もし原料希硫酸の濃度
が、この濃度を確保するためには足りない場合は、別途
低濃度用の濃縮器を用いて濃縮した後に吸収冷却液とす
るか、あるいは必要に応じて前濃縮缶F1で濃縮した硫酸
の一部、あるいは高度濃縮缶F2からの製品の一部を原料
希硫酸に混合して濃度を上げることも可能である。なお
ここで使用する吸収冷却器は吸収と冷却とを同時に行う
型式のものでも、吸収と冷却とを別の場所で行う方式の
吸収塔と、その吸収液を別途熱交換器で冷却循環する組
合せの型式としてもよい。

〔作用〕

水溶液を高濃度に濃縮する場合、従来法では高真空を維
持するためにスチームエジエクター、スチームブースタ
ーの直列２段（第２図E11、E14）、あるいは少なくとも
スチームブースター１段を用いる真空発生器を使用し
て、これによつて濃縮時に発生する蒸気を全量系から排
除する必要があつた。これは水の蒸気圧が常温付近で10
〜数十Torrあり、通常用いる大気脚凝縮器が30Torr程度
以下の高真空には経済的に使用できないことによる（微
量のイナートガスを除くため大気脚後にスチームエジエ
クターを要することもある）。このためスチームブース
ターで吸引する水蒸気を全量吸引後、圧縮して大気脚凝
縮器の使用できる圧力（約30Torr以上）まで高める必要
があつた。

本発明はこのスチームブースターで使用する水蒸気原単
位を大幅に減ずるものである。すなわち本発明において
は高濃度用の濃縮缶F2で発生する水蒸気をスチームエジ
エクターE1およびスチームブースターE4によつて全量吸
引することはせず、単に高真空を維持させるに必要な最
低限度にとどめ、残りの殆ど全部の水蒸気は高真空下に
所要の濃度の水溶液と吸収混合させることによつて真空
度を維持させるものである。かくすることによつてここ
で使用するスチームの量を100倍以上も節約できる（1/1
00以下にできる）。

さらに特に濃度が上つてくると溶質自身の蒸気圧の増
大、あるいは飛沫同伴の増加等によつて系外へ吸引排出
され損失となる溶質は増加する傾向にある。第２図の従
来法によれば明らかに高度濃縮缶F2で発生する溶質蒸
気、あるいは溶質を含む飛沫同伴は全て吸引排除され、
大部分凝縮器C1を経て大気脚下から希薄水溶液となって
系外に排出されるのでその回収は困難である。本発明の
場合、第１図から明らかな通り管路５を通る溶質蒸気あ
るいは飛沫同伴の大部分は吸収冷却器C4で捕捉され、貯
槽T1へ回収され、次いで循環利用されるのであるから、
損失となる量は従来法と比較して無視し得ることは明ら
かである。

なお高度濃縮缶F2へ送る水溶液の濃度は、そこでの蒸発
温度における水蒸気圧がスチームブースターを使用せざ
るを得ないような濃度、すなわち大気脚凝縮器のみの使
用では凝縮し難くなるような程度の濃度以上のものでな
くては効果がない。この濃度は例えば硫酸においてはそ
の濃縮缶の耐食性あるいは通常の安価な低圧スチームに
よる加熱限界等から、経済的に好ましいとされている温
度、例えば約150℃の場合で85重量％（以下単に85％と
略す、以下同様）濃度である。85％硫酸の150℃におけ
る水蒸気圧は約55Torrであり、55Torrは40℃の水蒸気圧
に相当する。夏期は冷却水温が40℃近くになることがあ
り、これ以下に大気脚上の圧を下げることが困難な場合
を生じる。従つて高度濃縮缶へ入る際の硫酸濃度には85
％以下という制約があることがわかる。

高度濃縮缶における濃縮度は上限は理論的には最高共沸
組成である98％であるが、経済的に濃縮を行える限界は
硫酸の蒸気圧、沸点上昇からして96％程度である。

また高度濃縮缶から出る蒸気と混合すべき水溶液の濃度
は吸収冷却器の水温付近の温度で濃縮缶からの発生蒸気
を吸収後の混合水溶液の蒸気圧が、高度濃縮缶内の水蒸
気圧と等しいか、それ以下となるような濃度であること
を要する。これは硫酸の場合、40％以上好ましくは55％
以上85％以下であり、95％硫酸（170℃、PH₂O＝10.3mmH
g）を得るものとして、例えば60％硫酸（40℃、PH₂O＝
9.85mmHg）、40％硫酸（20℃、PH₂O＝9.95mmHg）等種々
の選択をなし得ることが明らかである。

高度濃縮缶の温度が低く、かつ濃度が高い程、吸収冷却
に要する希薄溶液の濃度は高く、温度は低くすることが
必要となる。原料水溶液濃度が上記の要求に対して低す
ぎる場合は当然予備的な濃縮操作は行われるので、適当
な濃度になつた水溶液を本発明の吸収冷却液とするこ
と、あるいは途中の濃縮度の水溶液の一部、例えば前濃
縮缶の中間製品の一部を、もしくは必要に応じて製品の
一部を希薄原料水溶液と混合することによつて吸収冷却
に必要な濃度に高めて用いてもよいことは明らかであ
り、本発明はこのような場合をも包含するものである。

以上本発明を硫酸水溶液の濃縮の場合について説明した
が、それ以外、例えば燐酸や苛性アルカリ等吸湿性の無
機化合物についても適用可能であることは明らかであ
り、かつ溶質は必ずしも純粋であることを要せず、有
機、無機の不純物の多少の混入は許容し得るものであ
り、これらをすべて本発明は包含する。

〔実施例〕

第１図本発明方法、第２図従来法について各図示の部位
における温度、圧力、濃度、流量等を第１表に示す。

〔発明の効果〕本発明によれば加熱蒸発用のスチーム使用量は従来法の
450kg/hrから680kg/hrと若干増加するものの、ブースタ
ー用スチームを含めたエジエクター用スチームが1190kg
/hrから20kg/hrと大幅に減少するため、全体のスチーム
使用量は1640kg/ton硫酸から700kg/ton硫酸へと著しく
減少した。すなわち蒸気原単位の大幅な改善をなし得
る。

高度濃縮缶から出る水蒸気は92％硫酸では13重量％の硫
酸蒸気分圧をもち、かつ多少の飛沫同伴を含み、それら
は従来法の場合すべて希薄な硫酸水溶液となるから回収
は困難で中和等の除害処理を要するが（第１表の従来法
では硫酸の約２％が損失となつている）、本発明ではこ
れら蒸気等の大部分は原料酸に吸収されて循環濃縮され
るので殆と損失とならない。従つて除害のための負荷は
著しく軽減される。

このように本発明は省エネルギーのみならず、公害防止
上も極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である硫酸濃度の場合のフロー
シート、第２図は従来法の硫酸濃縮のフローシートであ
る。 1,1′,1″,2,3,4,5,6,11,12,13,14,15……管路 F1……前濃縮缶、F2……高度濃縮缶 H1,H2,H11,H12……溶液加熱用熱交換器 E1,E2,E3,E11,E12,E13……スチームエジエクター E4,E14………スチームブースター C1,C2,C3,C11,C12,C13……凝縮器 C4……吸収冷却器 T1……貯槽、P1,P2,P12,P13……ポンプ CW……冷却水、STM……スチーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸湿性の化合物の水溶液を、少なくとも１
個の前濃縮缶と高度濃縮缶とを用いて濃縮して高濃度と
する際に、高度濃縮缶から真空濃縮によって発生する水
蒸気を、その水蒸気分圧よりも低い水蒸気分圧を有する
同じ化合物の水溶液と接触させて吸収するとともに、前
記の水蒸気を吸収して希釈された水溶液を前濃縮缶に送
って濃縮し、この濃縮液を高度濃縮缶に送って高濃度と
することを特徴とする吸湿性化合物水溶液の濃縮方法。
【請求項２】吸湿性の化合物が硫酸であり、かつ濃縮濃
度が85重量％以上の硫酸を製造するための真空濃縮器で
ある高度濃縮缶から発生する水蒸気を、40重量％以上85
重量％以下の硫酸水溶液と接触させて吸収する特許請求
の範囲第（１）項記載の吸湿性化合物水溶液の濃縮方
法。