第 12 回 PCB 講演会 蒸留の基礎と溶剤回収 平成 28 年 8 月 8 日 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 No.1
らんびき (Alambique) 消毒用蒸留酒の製造 (16 世紀後半 ) No.2
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 < 蒸気 > エタノール :100 % 水 :0 % < 液 > エタノール :10 % 水 :90 % No.3
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 No.4
気液平衡関係 圧力 :1 気圧 (101.3 kpa) < 蒸気 > エタノール :0.4375 モル分率水 :0.5625 モル分率 100 90 Total Pressure = 101.3 kpa Ethanol(1) Water(2) x-t y-t 沸騰温度 :86.7 T [ ] 80 < 液 > エタノール :0.0966 モル分率水 :0.9034 モル分率 No.5 70 m UNIFAC Carey, et al., 1932 0 0.5 1 x, y [ モル分率 ] 温度 - 組成線図
沸騰蒸留の原理 相間の組成の差 ( 揮発性の差 ) を利用 蒸気中のエタノール組成 [ モル分率 ] y ethanol [mole frac.] 1 0.5 凝縮 No.6 0 0 0.5 1 x ethanol [mole frac.] 単蒸留装置 ( ポットスチル ) 気液平衡線図 (x-y 線図 ) 液中のエタノール組成 [ モル分率 ]
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 No.7
純成分の蒸気圧 logp 0 [kpa] 10 3 10 2 10 1 エタノール (78.2 ) 水 (100 ) メタノール (64.7 ) 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 No.8 10 0 0.0026 0.0028 0.003 0.0032 1/T [K 1 ]
分子間に働く力の影響 1 Ethnol(1) Water(2) 1 Methanol(1) Water(2) 1 Water(1) Hydrazine(2) y 1 [ ] 0.5 y 1 [ ] 0.5 y 1 [ ] 0.5 蒸気圧だけ考慮 0 0 0.5 1 x 1 [ ] 0 0 0.5 1 x 1 [ ] 0 0 0.5 1 x 1 [ ] ( 斥力 ) ( 弱い ) ( 引力 ) 最低共沸 最高共沸 No.9
分離の限界 ( 最低共沸,α 1) 低沸成分蒸気モル分率 1 0.5 領域 ⅰ 領域 ⅱ 蒸気の濃縮の方向 最低共沸混合物 0 0 0.5 1 低沸成分液モル分率 y 1 0.5 2,2 dimethylpentane(1) 2,2,4 trimethylbutane(2) 0 0 0.5 1 x No.10
連続精留塔 還流液 (L) 塔頂製品 (D) 原料 還流比 (R) =L/D 塔底製品 Foust, et al.: Principles of Unit Operations, 2 nd ed. No.11
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 (z 1, z 2 ) =(0.3, 0.7) 分離条件 :x D = 0.95, x W = 0.042 操作条件 :D = 28.4 mol/h W = 71.6 mol/h No.12
同じ製品を得るために必要な還流比 (R) と理論段数 (N) (Rm=2.1, Nm=6.8) No.13
2 つの極限状態の意味 分離の仕様を達成するために必要な段数と還流比 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 No.14
蒸留塔の分離性能 L D 理論段数多いほど分離性能が高い ( 大きい装置 ) F 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 ) W * 高純度化には大きな蒸留塔と大きなエネルキ ーが必要となる No.15
y 1 1 0.5 N=17, NF=9, R=2.34 原料供給段 連続精留塔の性能 ー還流比と理論段数ー 塔頂製品 原料 塔頂製品 塔底製品 No.16 0 0 0.5 1 x 1 小さい還流比, 多い理論段数 塔底製品
連続精留塔の性能ー還流比と理論段数ー 1.0 N=6.8, R= 2 1 塔頂製品 D 0.8 3 塔頂製品 0.6 4 y 0.4 5 原料 塔頂製品 No.17 0.2 7 6 W 0.0 0.0x W 0.2 z 0.4 0.6 0.8 x D 1.0 x 大きい還流比, 少ない理論段数 塔底製品
最適設計 ( 経済的指標 ) スチーム 冷却水 電力 蒸留塔 熱交換器 R opt =1.05~1.2Rm No.18
蒸留塔の特性 - 塔頂製品流量 (D) の影響 ( 物質収支 )- 1 0.98 N=17, R=2.34 N=13, R=2.85 N=9, R=5.75 x D,1 [ ] 0.96 0.94 No.19 0.92 大 W 小 20 30 D [mol/s]
蒸留塔の操作特性 製品流量 (D) と製品純度 (x D ) 製品流量 (D) 多い 少ない 製品純度 (x D ) 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? No.20
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 A,B A A, B, C A, B, C No.21 B, C B, C C *A-B 間,B-C 間の分離のし易さ, 各成分の量により選択 C B
3 成分混合物の分離 A A, B, C A, B B B, C C * 第 1 塔の分離で管理したい成分を制御 No.22
豊田 PCB 廃棄物処理施設における溶剤回収 No.23
豊田 PCB 廃棄物処理施設の蒸留装置 (2005 年建設当時 ) No.24
豊田 PCB 廃棄物処理施設の蒸留装置 (2005 年建設当時 ) TCB 分離塔 (350I.D.) 第 1 蒸留塔 (2300I.D.) No.25 第 2 溶剤回収塔 (600I.D.) 第 2 蒸留塔 (2600I.D.)
豊田 PCB 廃棄物処理施設 No.26 豊田 PCB 廃棄物処理施設のご案内 JESCO より抜粋
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 No.27 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
物性 成分 沸点 [ ] PCB(KC500) 365-390 洗浄溶剤 (NS230,nC 13 ) 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 No.28
豊田 PCB 廃棄物処理施設 No.29 豊田 PCB 廃棄物処理施設のご案内 JESCO より抜粋
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 No.30
豊田 PCB 廃棄物処理施設 No.31 豊田 PCB 廃棄物処理施設のご案内 JESCO より抜粋
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 ) PCB 濃度を管理 138 C 5.3kPa 210 C 8.6 kpa No.32
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 No.33
最近の蒸留実績 第 1 系統 3~10 m 3 /hr 再生溶剤 PCB 0.1~0.5ppm 程度 ( 設計値 10ppm) 第 2 系統 8~18 m 3 /hr 再生溶剤 PCB 0.01ppm 程度 ( 設計値 0.1ppm) No.34
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 No.35
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 No.36
ご清聴ありがとうございました No.37