JP5616764B2

JP5616764B2 - 内部熱交換型蒸留装置

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Publication number: JP5616764B2
Application number: JP2010263395A
Authority: JP
Inventors: 直樹太田; 賢華山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: JP2012110858A

Description

本発明は、内部熱交換型蒸留装置に関する。

従来、石油化学工業における高効率の蒸留塔として開発された内部熱交換型蒸留装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

前記内部熱交換型蒸留装置は、第１の蒸留塔と、第１の蒸留塔の内部に配設された第２の蒸留塔とを備え、第２の蒸留塔は第１の蒸留塔の内部でその内部と外部とが隔離された構成を備えている。そして、前記内部熱交換型蒸留装置は、第２の蒸留塔の側壁を伝熱面として、例えば、第２の蒸留塔の熱を第１の蒸留塔に移動させるようになっている。

前記内部熱交換型蒸留装置は、石油化学工業において、例えばベンゼンとトルエンとの分留に用いられる。このとき、前記内部熱交換型蒸留装置によれば、第２の蒸留塔から第１の蒸留塔に移動する熱により、加熱及び冷却の仕事量が軽減されるので、蒸留に要する熱エネルギーを低減することができる。

特許第２６９４４２５号公報

しかしながら、前記内部熱交換型蒸留装置は、蒸留対象の原料溶液によっては、第２の蒸留塔の側壁に析出成分が付着堆積して断熱材として作用し、第２の蒸留塔から第１の蒸留塔への熱移動が阻害されることがあるという不都合がある。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、第２の蒸留塔から第１の蒸留塔への熱移動が阻害されることなく円滑に運転することができる内部熱交換型蒸留装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の内部熱交換型蒸留装置は、第１の蒸留塔と、第１の蒸留塔の内部に配設されその内部と外部とが隔離された第２の蒸留塔と、第１の蒸留塔に原料溶液としてリグノセルロース系バイオマスを糖化して得られた糖化溶液を発酵させた発酵溶液を供給する第１の供給導管と、第１の蒸留塔の塔頂に得られた第１の気体を取り出して第２の蒸留塔に供給する第２の供給導管と、第２の供給導管の途中に設けられ第２の蒸留塔内を第１の蒸留塔内よりも高圧にする圧力差生成手段と、第１の蒸留塔の塔底液を取り出す第１の取出導管と、該発酵溶液と該塔底液との間で熱交換し該発酵溶液を予熱する熱交換器と第１の蒸留塔内に直接蒸気を供給する蒸気管とにより第１の蒸留塔を加熱する加熱手段と、第２の蒸留塔の塔頂に得られた第２の気体を取り出す第２の取出導管と、第２の取出導管の途中に設けられ第２の気体を冷却して液化させるコンデンサーとを備え、第２の蒸留塔の側壁を伝熱面として第２の蒸留塔の熱を第１の蒸留塔に移動させる内部熱交換型蒸留装置において、第２の蒸留塔の側壁に、該発酵溶液に含有されるリン酸塩、ケイ酸塩とタンパク質との混合物からなる析出成分が析出して付着堆積することを防止する付着堆積防止層を備え、該付着堆積防止層は、７９〜９０質量％のＮｉと、７〜９．５質量％のＰとを含むＮｉ−Ｐ合金中に、１２〜３４質量％の範囲のフッ素樹脂を含み、５μｍ以下の厚さを備えていることを特徴とする。

本発明の内部熱交換型蒸留装置では、まず、第１の供給導管から第１の蒸留塔に供給された前記原料溶液が前記加熱手段により加熱されて蒸留されることにより、第１の蒸留塔の塔頂に、該原料溶液中の低沸点成分を含む第１の気体が得られる。前記第１の気体は、前記第２の供給導管を介して第２の蒸留塔に供給されるが、このとき前記圧力差生成手段により、第２の蒸留塔内が第１の蒸留塔内よりも高圧にされることにより第２の蒸留塔内の温度が上昇する。

本発明の内部熱交換型蒸留装置では、前記圧力差生成手段は、第１の蒸留塔内を大気圧とし、前記第１の気体を加圧して、第２の蒸留塔内を大気圧以上の加圧状態としてもよい。また、前記圧力差生成手段は、第１の蒸留塔内を減圧して、第１の蒸留塔内を大気圧以下の減圧状態とし、第２の蒸留塔内を大気圧としてもよい。

この結果、前記第１の気体は第２の蒸留塔でさらに蒸留され、第２の蒸留塔の塔頂に、第１の気体より高濃度の前記低沸点成分を含む第２の気体が得られる。前記第２の気体は第２の取出導管から取出され、前記コンデンサーで冷却されて液化されることにより、前記低沸点成分の液体を得ることができる。

本発明の内部熱交換型蒸留装置では、前記圧力差生成手段により、第２の蒸留塔内が第１の蒸留塔内よりも高圧にされることにより、第２の蒸留塔内の温度が上昇し、第１の蒸留塔内の温度より高温となる。この結果、第２の蒸留塔の熱が、第２の蒸留塔の側壁を伝熱面として第１の蒸留塔に移動する。従って、第１の蒸留塔はさらに加熱され、第２の蒸留塔の温度は低下するので、加熱及び冷却の仕事量を低減することができ、蒸留に要する熱エネルギーを低減することができる。

ところが、蒸留対象の原料溶液が析出成分を含むときには、第２の蒸留塔の側壁に該析出成分が析出して付着堆積し、該析出成分が断熱材として作用して、第２の蒸留塔から第１の蒸留塔への熱移動が阻害されることが懸念される。

そこで、本発明の内部熱交換型蒸留装置は、第２の蒸留塔の側壁に、前記原料溶液に含有される析出成分が析出して付着堆積することを防止する付着堆積防止層を備えている。この結果、本発明の内部熱交換型蒸留装置によれば、第２の蒸留塔の側壁に前記析出成分が析出して付着堆積することを防止して、円滑に運転することができる。

本発明の内部熱交換型蒸留装置は、前記原料溶液が、リグノセルロース系バイオマスを糖化して得られた糖化溶液を発酵させた発酵溶液であるときに、該発酵溶液の蒸留に用いる。このとき、前記発酵溶液に含有される析出成分は、リン酸塩、ケイ酸塩とタンパク質との混合物である。

本発明の内部熱交換型蒸留装置において、前記付着堆積防止層は、Ｎｉ−Ｐ合金中に１２〜３４質量％の範囲のフッ素樹脂を含む。前記付着堆積防止層は、マトリックスとなるＮｉ−Ｐ合金により前記第２の蒸留塔の側壁の熱伝導性を確保することができると共に、前記範囲のフッ素樹脂を含むことにより、前記発酵溶液に含有される析出成分の析出を防止することができる。また、前記付着堆積防止層は、前記析出成分がタンパク質と無機化合物との混合物である場合に特に有効に作用する。

前記付着堆積防止層に含まれるフッ素樹脂が、前記Ｎｉ−Ｐ合金全体に対し、１２質量％未満であるときには、前記タンパク質と無機化合物との混合物の析出を防止できない。また、前記付着堆積防止層に含まれるフッ素樹脂が、前記Ｎｉ−Ｐ合金全体に対し、３４質量％を超えるときには、該付着堆積防止層の断熱性が過大になり、前記第２の蒸留塔の側壁の熱伝導性を低下させる。

また、本発明の内部熱交換型蒸留装置において、前記付着堆積防止層は、無電解メッキにより形成されたものであることが好ましい。前記付着堆積防止層は、無電解メッキにより形成することにより、前記第２の蒸留塔の側壁の形状、大きさに関わらず形成することができる。

本発明の内部熱交換型蒸留装置を用いるエタノール製造装置の構成を示すシステム構成図。発酵溶液の成分分析例を示すフーリエ変換赤外分光スペクトルのチャート。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態の内部熱交換型蒸留装置は、基質としてリグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁からエタノールを製造するエタノール製造装置に用いられる。

図１に示すように、リグノセルロース系バイオマスからエタノールを製造するエタノール製造装置１は、前処理装置２、糖化処理装置３、発酵処理装置４、内部熱交換型蒸留装置５を備えている。

前処理装置２は、原料供給装置２１、アンモニア水供給装置２２、攪拌槽２３、貯留槽２４、移送導管２５を備えている。原料供給装置２１は、原料となる基質としての稲藁を攪拌槽２３に供給し、アンモニア水供給装置２２はアンモニア水を攪拌槽２３に供給する。

攪拌槽２３は、前記基質と前記アンモニア水とを攪拌、混合し、得られた基質混合物を貯留槽２４に供給する。貯留槽２４は、基質混合物を所定時間貯留する間に、加熱することなく前記基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させることにより、糖化前処理物を得る。

前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロース又はヘミセルロースにリグニンが強固に結合した構成を備えている。そこで、前記処理により前記基質を糖化前処理物とすることにより、セルロース又はヘミセルロースを糖化可能なものとする。

尚、本願において、解離とは、リグノセルロース系バイオマスのセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース又はヘミセルロースに空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。

前記糖化前処理物は、貯留槽２４の底部に接続された移送導管２５により取出され、移送導管２５の途中に設けられた固液分離装置２６によりアンモニアが分離されて、アンモニア分離糖化前処理物として、糖化処理装置３に送られる。固液分離装置２６は、分離したアンモニアをアンモニア水として回収する回収導管２７を備えている。回収導管２７は、アンモニア水供給装置２２に接続されている。

糖化処理装置３は、糖化処理槽３１を備え、糖化処理槽３１の上部には移送導管２５が接続されると共に、糖化酵素供給装置３２が設けられており、移送導管２５から供給される前記アンモニア分離糖化前処理物に糖化酵素供給装置３２から糖化酵素を供給して糖化処理し、糖化溶液を得る。

糖化処理槽３１の底部には、糖化処理槽３１で得られた糖化溶液を発酵処理装置４に移送する移送導管３３が接続されている。移送導管３３の途中には、固液分離装置３４が設けられており、前記糖化溶液に含まれる前記稲藁の残渣等が分離、除去される。

発酵処理装置４は、発酵処理槽４１を備え、発酵処理槽４１の上部には移送導管３３が接続されると共に、菌体供給装置４２が設けられており、移送導管３３から供給される前記糖化溶液に菌体供給装置４２から発酵菌又は酵母を供給して発酵させ、発酵溶液を得る。発酵処理槽４１の底部には、発酵処理槽４１で得られた発酵溶液を内部熱交換型蒸留装置５に移送する移送導管４３が接続されている。

本実施形態の内部熱交換型蒸留装置５は、原料溶液として移送導管４３から供給される前記発酵溶液を用いるものである。内部熱交換型蒸留装置５は、第１の蒸留塔５１の内部に第２の蒸留塔５２が配設され、第１の蒸留塔５１の内部において、第２の蒸留塔５２の内部と外部とが互いに隔離された構造の単一の蒸留塔５３を備える。第１の蒸留塔５１は、第２の蒸留塔５２の外側となっている部分の上部に、移送導管４３が接続されていると共に、塔頂に得られた第１の気体を取り出し、第２の蒸留塔５２に供給する気体供給導管５４を備えている。

気体供給導管５４は、途中に第１の蒸留塔５１内を減圧するドライ真空ポンプ５５が設けられており、ドライ真空ポンプ５５の下流側で第２の蒸留塔５２の底部に接続されている。また、第１の蒸留塔５１は、第２の蒸留塔５２の外側となっている部分の底部から塔底液を取り出す第１の取出導管５６を備えている。第１の取出導管５６の途中には、移送導管４３から供給される前記発酵溶液と前記塔底液との間で熱交換し、該発酵溶液を予熱する熱交換器５７が備えられている。

また、第１の蒸留塔５１の底部には、第１の蒸留塔５１内に直接蒸気を供給して第１の蒸留塔５１を加熱する蒸気管５８が備えられている。内部熱交換型蒸留装置５では、熱交換器５７及び蒸気管５８により、第１の蒸留塔５１を加熱する加熱手段が構成されている。

一方、第２の蒸留塔５２の塔頂部には、第２の蒸留塔５２の塔頂に得られた第２の気体を取り出す第２の取出導管５９が備えられており、コンデンサー６０を介して製品としてのエタノールが取出される。また、コンデンサー６０は、残液を第２の蒸留塔５２内部に還流する還流導管６１を備えている。

第１の蒸留塔５１と第２の蒸留塔５２とは、例えばステンレス鋼板により形成されており、第２の蒸留塔５２は、その外側で第１の蒸留塔５１の内部に臨む面に、図示しない付着堆積防止層を備えている。前記付着堆積防止層は、７９〜９０質量％のＮｉと、７〜９．５質量％のＰとを含むＮｉ−Ｐ合金中に、１２〜３４質量％の範囲のフッ素樹脂を含み、５μｍ以下の厚さを備えている。

前記付着堆積防止層は、例えば、所定の無電解メッキ液を第２の蒸留塔５２の外側で第１の蒸留塔５１の内部に臨む面に塗布し、無電解メッキすることにより形成することができる。前記無電解メッキによれば、電解メッキと異なり電極を作製する必要がないので、第２の蒸留塔５２の形状や大きさに関わらず、簡便且つ低コストで前記付着堆積防止層を形成することができる。

前記無電解メッキ液としては、例えば、Ｎｉ−Ｐ無電解メッキ液に、平均粒子径０．３〜０．５μｍのフッ素樹脂（例えばポリテトラフルオロエチレン）をノニオン系界面活性剤及びカチオン系界面活性剤により分散させたもの（日本カニゼン株式会社製、商品名：カニフロン）を用いることができる。

前記無電解メッキは、第２の蒸留塔５２を、９０〜９５℃の範囲の温度に加熱した前記無電解メッキ液に所定時間浸漬することにより行うことができる。

次に、エタノール製造装置１の作動について説明する。

エタノール製造装置１では、まず、原料供給装置２１から供給される基質としての稲藁と、アンモニア水供給装置２２から供給されるアンモニア水とを攪拌槽２３で攪拌し、基質混合物を得る。得られた基質混合物は、攪拌槽２３の直下に接続されている貯留槽２４に供給され、貯留槽２４内で所定時間貯留されることにより、加熱することなく前記稲藁からリグニンを解離し、又は該稲藁を膨潤させることにより、糖化前処理物を得る。

前記糖化前処理物はアンモニア水を含有しているので、移送導管２５により糖化処理槽３１に移送される間に、移送導管２５の途中に設けられた固液分離装置２６でアンモニアが分離される。この結果、糖化処理槽３１には、アンモニア分離糖化前処理物が移送される。一方、固液分離装置２６で分離されたアンモニアは、回収導管２７によりアンモニア水として回収され、アンモニア水供給装置２２に還流される。

糖化処理槽３１では、移送導管２５を介して供給される前記アンモニア分離糖化前処理物に、糖化酵素供給装置３２から供給される糖化酵素を混合し、所定時間保持する。この結果、前記基質としての稲藁に含まれるセルロース、ヘミセルロース等が糖化された糖化溶液が得られる。

前記糖化溶液は、糖化処理槽３１の底部に接続された移送導管３３により取出され、移送導管３３の途中に設けられた固液分離装置３４により前記稲藁の残渣等が分離、除去された後、発酵処理槽４１に移送される。

発酵処理槽４１では、移送導管３３を介して供給される前記糖化溶液に、菌体供給装置４２から供給される発酵菌又は酵母を混合し、所定時間保持する。この結果、前記糖化溶液に含まれる糖分が前記発酵菌又は酵母によりエタノール発酵し、エタノールを含む発酵溶液が得られる。

前記発酵溶液は、発酵処理槽４１の底部に接続された移送導管４３により取出され、内部熱交換型蒸留装置５に移送される。

内部熱交換型蒸留装置５では、まず、移送導管４３から第１の蒸留塔５１に供給される前記発酵溶液が熱交換器５７で、第１の蒸留塔５１の塔底液と熱交換することより予熱され、さらに蒸気管５８から第１の蒸留塔５１に供給される蒸気により加熱される。この結果、前記発酵溶液が蒸留され、第１の蒸留塔５１の塔頂に、低沸点成分として、該発酵溶液より高濃度のエタノールを含む第１の気体が得られる。

前記第１の気体は、気体供給導管５４、ドライ真空ポンプ５５を介して第２の蒸留塔５２に供給されるが、このときドライ真空ポンプ５５により第１の蒸留塔５１内が減圧される。従って、第１の蒸留塔５１内が大気圧以下の減圧状態となる一方、第２の蒸留塔５２内は大気圧となり、第１の蒸留塔５１内よりも第２の蒸留塔５２内の温度の方が高温になる。

この結果、前記第１の気体は、第２の蒸留塔５２でさらに蒸留され、第２の蒸留塔５２の塔頂に、さらに高濃度のエタノールを含む第２の気体が得られる。前記第２の気体は第２の取出導管５９により取出され、コンデンサー６０で冷却されて液化されることにより、前記発酵溶液より高濃度のエタノールを含むエタノール溶液を製品として得ることができる。コンデンサー６０の残液は、還流導管６１により第２の蒸留塔５２内部に還流される。

ここで、内部熱交換型蒸留装置５では、第２の蒸留塔５２内の温度の方が第１の蒸留塔５１内の温度より高温となるので、第２の蒸留塔５２の側壁を伝熱面として第２の蒸留塔５２の熱が第１の蒸留塔５１に移動する。前記熱移動の結果、第１の蒸留塔５１はさらに加熱され、第２の蒸留塔５２の温度は低下するので、加熱及び冷却の仕事量を低減することができ、蒸留に要する熱エネルギーを低減することができる。

ところで、移送導管４３から第１の蒸留塔５１に供給される前記発酵溶液は、タンパク質と無機化合物とを含んでいる。

図２に、前記発酵溶液のフーリエ変換赤外分光スペクトルを示す。図２から、前記発酵溶液は、リン酸塩、ケイ酸塩（１２００〜９００ｃｍ^−１、７００〜５００ｃｍ^−１）、タンパク質（１６２５、１５３７ｃｍ^−１、アミド結合）を含むことが認められる。従って、前記析出物は、リン酸塩、ケイ酸塩とタンパク質との複合物であると考えられる。

前記タンパク質は、前記糖化に用いられる酵素や、前記発酵に用いられる発酵菌又は酵素の菌体由来の成分であり、前記ケイ酸塩は稲藁自体の成分、リン酸塩は前記発酵菌又は酵素の培養に用いられる成分と考えられる。そこで、前記タンパク質と無機化合物との混合物が析出成分として第２の蒸留塔５２の側壁に析出し付着堆積すると、該析出成分が断熱材として作用し、第２の蒸留塔５２から第１の蒸留塔５１への前記熱移動が阻害されることが懸念される。

しかし、本実施形態の内部熱交換型蒸留装置５では、第２の蒸留塔５２が、その外側で第１の蒸留塔５１の内部に臨む面に前記付着堆積防止層を備えている。前記付着堆積防止層は、前述のようにフッ素樹脂を含むので疎水性となっており、タンパク質を含む前記混合物が付着することを防止することができる。

従って、本実施形態の内部熱交換型蒸留装置５によれば、第２の蒸留塔５２の側壁に前記タンパク質と無機化合物との混合物が析出成分として付着堆積することを防止して、内部熱交換型蒸留塔６を円滑に運転することができる。

尚、本実施形態の内部熱交換型蒸留装置５は、気体供給導管５４の途中に第１の蒸留塔５１内を減圧するドライ真空ポンプ５５を設け、第１の蒸留塔５１内を大気圧以下の減圧状態とし、第２の蒸留塔５２内を大気圧とする構成を備えている。しかし、本実施形態の内部熱交換型蒸留装置５は、第２の蒸留塔５２内の圧力を第１の蒸留塔５１内の圧力よりも大きくすることができればよく、前記構成には限定されない。

例えば、ドライ真空ポンプ５５に代えてコンプレッサーを備え、気体供給導管５４を介して第２の蒸留塔５２に供給される前記第１の気体を加圧するようにしてもよい。この場合は、第１の蒸留塔５１内を大気圧とし、第２の蒸留塔５２内を大気圧以上の加圧状態とすることができる。

１…エタノール製造装置、２…前処理装置、３…糖化処理装置、４…発酵処理装置、４３…第１の供給導管、５…内部熱交換型蒸留装置、５１…第１の蒸留塔、５２…第２の蒸留塔、５４…第２の供給導管、５５…圧縮手段、５６…第１の取出導管、５７…熱交換器、５８…蒸気管、５９…第２の取出導管、６０…コンデンサー。

Claims

第１の蒸留塔と、第１の蒸留塔の内部に配設されその内部と外部とが隔離された第２の蒸留塔と、第１の蒸留塔に原料溶液としてリグノセルロース系バイオマスを糖化して得られた糖化溶液を発酵させた発酵溶液を供給する第１の供給導管と、第１の蒸留塔の塔頂に得られた第１の気体を取り出して第２の蒸留塔に供給する第２の供給導管と、第２の供給導管の途中に設けられ第２の蒸留塔内を第１の蒸留塔内よりも高圧にする圧力差生成手段と、第１の蒸留塔の塔底液を取り出す第１の取出導管と、該発酵溶液と該塔底液との間で熱交換し該発酵溶液を予熱する熱交換器と第１の蒸留塔内に直接蒸気を供給する蒸気管とにより第１の蒸留塔を加熱する加熱手段と、第２の蒸留塔の塔頂に得られた第２の気体を取り出す第２の取出導管と、第２の取出導管の途中に設けられ第２の気体を冷却して液化させるコンデンサーとを備え、第２の蒸留塔の側壁を伝熱面として第２の蒸留塔の熱を第１の蒸留塔に移動させる内部熱交換型蒸留装置において、
第２の蒸留塔の側壁に、該発酵溶液に含有されるリン酸塩、ケイ酸塩とタンパク質との混合物からなる析出成分が析出して付着堆積することを防止する付着堆積防止層を備え、
該付着堆積防止層は、７９〜９０質量％のＮｉと、７〜９．５質量％のＰとを含むＮｉ−Ｐ合金中に、１２〜３４質量％の範囲のフッ素樹脂を含み、５μｍ以下の厚さを備えていることを特徴とする内部熱交換型蒸留装置。
請求項１記載の内部熱交換型蒸留装置において、前記付着堆積防止層は、無電解メッキにより形成されたものであることを特徴とする内部熱交換型蒸留装置。