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

Nagoya Institute of TechnologyNo.2

“らんびき”(Alambique)消毒用蒸留酒の製造（１６世紀後半）

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

同じ製品を得るために必要な還流比(R)と理論段数(N)

Nagoya Institute of Technology

(Rm=2.1, Nm=6.8)

No.13

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ｷﾞｰが必要となる

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.18

最適設計（経済的指標）

Ropt=1.05～1.2Rm

蒸留塔・熱交換器

スチーム・冷却水・電力

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.22

３成分混合物の分離

A, B, C A, B

B, C

A

B

C

＊第１塔の分離で管理したい成分を制御

Nagoya Institute of TechnologyNo.23

豊田ＰＣＢ廃棄物処理施設における溶剤回収

Nagoya Institute of TechnologyNo.24

豊田ＰＣＢ廃棄物処理施設の蒸留装置（2005年建設当時）

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.26

豊田ＰＣＢ廃棄物処理施設

「豊田PCB廃棄物処理施設のご案内」JESCOより抜粋

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.29

豊田ＰＣＢ廃棄物処理施設

「豊田PCB廃棄物処理施設のご案内」JESCOより抜粋

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.31

豊田ＰＣＢ廃棄物処理施設

「豊田PCB廃棄物処理施設のご案内」JESCOより抜粋

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.33

豊田ＰＣＢ廃棄物処理施設の蒸留装置

〇第2系統：「仕上げ洗い」洗浄油（PCB 0.1ppm以下）

PCB濃度を厳しく管理

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。

Nagoya Institute of TechnologyNo.37

ご清聴ありがとうございました