Nagoya Institute of TechnologyNo.1
蒸留の基礎と溶剤回収
名古屋工業大学 大学院工学研究科
ながれ領域 生命・応用化学専攻
森 秀樹
第12回 PCB講演会
平成28年8月8日
蒸留の原理
「成分の沸点の差を利用する」
エタノール 78.2℃
水 100℃
Nagoya Institute of TechnologyNo.3
<液>エタノール:10 %
水 :90 %
<蒸気>エタノール:100 %
水 :0 %
講演内容
蒸留の基礎
気液平衡関係,蒸留の原理
蒸留の限界
蒸留塔の特性
還流比と理論段数,物質収支
豊田PCB廃棄物処理施設における溶剤回収
Nagoya Institute of TechnologyNo.4
Nagoya Institute of TechnologyNo.5
気液平衡関係
<蒸気>エタノール:0.4375 モル分率
水 :0.5625 モル分率
<液>エタノール:0.0966 モル分率
水 :0.9034 モル分率
沸騰温度:86.7℃
x, y [モル分率]
T [℃
]
0 0.5 1
70
80
90
100Total Pressure = 101.3 kPa
m–UNIFAC
Ethanol(1) – Water(2)
Carey, et al., 1932
温度-組成線図
圧力:1気圧(101.3 kPa)
x-Ty-T
蒸留の原理
Nagoya Institute of TechnologyNo.6
単蒸留装置(ポットスチル) 気液平衡線図(x-y線図)
「相間の組成の差(揮発性の差)を利用」
0 0.5 10
0.5
1
xethanol [mole frac.]
y eth
anol
[mol
e fr
ac.]
沸騰
凝縮
蒸気
中の
エタノール
組成
[モル
分率
]
液中のエタノール組成[モル分率]
Nagoya Institute of TechnologyNo.7
気液平衡
気液の組成は,混合物中の成分の逃げ出し易さ,居心地の悪さ(fugacity, 逃散能)によって決まる
「成分の蒸気圧」×「分子間に働く力」
液相の分子間に働く力
「引力」:フガシティ 小
「斥力」:フガシティ 大
Nagoya Institute of TechnologyNo.8
純成分の蒸気圧
0.0026 0.0028 0.003 0.0032100
101
102
103
1/T [K−1]
logP
0 [kPa
]
メタノール(64.7℃)
エタノール(78.2℃)
水(100℃)
沸点差が大きいほど蒸気圧差が大きい
よって組成差が大きい
○富士山の山頂気圧63.6 kPa沸点 87.4 ℃
分子間に働く力の影響
Nagoya Institute of TechnologyNo.9
(斥力) (弱い) (引力)
最低共沸 最高共沸
0 0.5 10
0.5
1
x1 [−]
y 1 [−
]
Water(1)−Hydrazine(2)
0 0.5 10
0.5
1
x1 [−]
y 1 [−
]
Methanol(1)−Water(2)
0 0.5 10
0.5
1
x1 [−]
y 1 [−
]
Ethnol(1)−Water(2)
蒸気圧だけ考慮
分離の限界(最低共沸,α≒1)
Nagoya Institute of Technology
0 0.5 10
0.5
1
x
y
2,2–dimethylpentane(1)– 2,2,4–trimethylbutane(2)
No.10
0 0.5 10
0.5
1
低沸成分液モル分率
低沸成分蒸気モル分率
蒸気の濃縮の方向
最低共沸混合物
領域ⅰ 領域ⅱ
Nagoya Institute of TechnologyNo.11
連続精留塔
原料
塔頂製品(D)
塔底製品
Foust, et al.: Principles of Unit Operations, 2nd ed.
還流液(L)還流比(R)
=L/D
蒸留塔の分離性能
◎ベンゼンートルエンの分離
原料条件:F=100 mol/h, q=1(z1, z2) =(0.3, 0.7)
分離条件:xD = 0.95, xW = 0.042操作条件:D = 28.4 mol/h
W = 71.6 mol/h
Nagoya Institute of TechnologyNo.12
Nagoya Institute of TechnologyNo.14
2つの極限状態の意味
• 全還流状態
理論段数:最小 → 最小理論段数;Nm
消費エネルギー:最大
• 最小還流状態
理論段数:無限大
消費エネルギー:最小 → 最小還流比;Rm
分離の仕様を達成するために必要な段数と還流比
Nagoya Institute of TechnologyNo.15
蒸留塔の分離性能
F
D
W
L
○理論段数多いほど分離性能が高い(大きい装置)
○還流比;R=L/D大きいほど分離性能が高い(大きい蒸気量;エネルギー)
*高純度化には大きな蒸留塔と大きなエネルギーが必要となる
Nagoya Institute of TechnologyNo.16
0 0.5 10
0.5
1
x1
y 1
N=17, NF=9, R=2.34塔頂製品
塔底製品
原料供給段
塔底製品
原料
塔頂製品
連続精留塔の性能ー還流比と理論段数ー
小さい還流比,多い理論段数
Nagoya Institute of TechnologyNo.17
原料
塔頂製品
塔底製品
連続精留塔の性能ー還流比と理論段数ー
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
x
y
21
3
4
5
7
xDxW
D
Wz
6
塔頂製品
塔頂製品
N=6.8, R=∞
大きい還流比,少ない理論段数
Nagoya Institute of TechnologyNo.19
蒸留塔の特性-塔頂製品流量(D) の影響(物質収支)-
20 300.92
0.94
0.96
0.98
1
D [mol/s]
N=17, R=2.34x D
,1[−
]N=13, R=2.85N=9, R=5.75
大← W →小
Nagoya Institute of TechnologyNo.20
蒸留塔の操作特性
製品流量(D)と製品純度(xD)
製品流量(D) 多い ⇔ 少ない
製品純度(xD) 低い ⇔ 高い
製品回収率 高い ⇔ 低い
*「純度」と「回収率」のどちらを優先するか?
Nagoya Institute of TechnologyNo.21
3成分混合物の分離2本以上の蒸留塔が必要
(一般に,N成分の場合はN-1本以上必要)
A, B, C A, B, C
AA
BC
C
B
B, CB, C
A,B
*A-B間,B-C間の分離のし易さ,各成分の量により選択
Nagoya Institute of TechnologyNo.25
豊田PCB廃棄物処理施設の蒸留装置
第2蒸留塔(2600I.D.)第2溶剤回収塔(600I.D.)
第1蒸留塔(2300I.D.)TCB分離塔(350I.D.)
(2005年建設当時)
Nagoya Institute of TechnologyNo.27
蒸留装置の目的
トランス油(PCB 60%+TCB 40%)からTCBを分離PCBへのTCBの混入による脱塩素化剤のロスを低減する
PCB含侵物の洗浄溶剤の回収とリサイクル「粗洗い」,「仕上げ洗い」で分離仕様(PCB濃度の管理値)を変えることにより,省エネルギー化を図る
排気処理スクラバー油からの洗浄溶剤の回収
Nagoya Institute of TechnologyNo.28
物性
成分 沸点[℃]PCB(KC500) 365-390
洗浄溶剤(NS230,nC13) 227
TCB(トリクロロベンゼン) 213
*NS230-PCB,TCB-PCB: 十分な沸点差*TCB-NS230 気液平衡を考慮
Nagoya Institute of TechnologyNo.30
豊田PCB廃棄物処理施設の蒸留装置
〇TCB分離塔:トランス油(PCB 60%+TCB 40%)からTCBを分離
PCB濃度を管理
Nagoya Institute of TechnologyNo.32
豊田PCB廃棄物処理施設の蒸留装置
〇第1系統:「粗洗い」洗浄油(PCB 10ppm以下)
138 C5.3kPa
210 C8.6 kPa
PCB濃度を管理
Nagoya Institute of TechnologyNo.34
第1系統 3~10 m3/hr
再生溶剤PCB 0.1~0.5ppm程度
(設計値 10ppm)
第2系統 8~18 m3/hr
再生溶剤PCB 0.01ppm程度
(設計値 0.1ppm)
最近の蒸留実績
Nagoya Institute of TechnologyNo.35
蒸留工程の省エネルギー化
○PCB, TCBとの沸点差(分離)を考慮して,洗浄溶剤を選定する
〇2つの洗浄工程で必要とされる溶剤の純度レベルにより,2系統に分ける
○分離の難易度によって,プロセスの構成を最適化する(第2系統)
◎混入する物質の物性の把握が大切
Nagoya Institute of TechnologyNo.36
謝辞
豊田PCP廃棄物処理施設における処理プロセス
のフロー図,および蒸留装置に関する詳細なデー
タを提供いただきました
JESCO豊田PCB処理事業所様
神鋼環境ソリューション様
に深く感謝申し上げます。