特表 2023-550890 腐食性液体を濃縮する装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-06

(54)【発明の名称】腐食性液体を濃縮する装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 3/14 20060101AFI20231129BHJP

【ＦＩ】

B01D3/14 A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023523669

(86)(22)【出願日】2021-11-04

(85)【翻訳文提出日】2023-05-30

(86)【国際出願番号】 EP2021080641

(87)【国際公開番号】W WO2022117275

(87)【国際公開日】2022-06-09

(31)【優先権主張番号】102020131827.8

(32)【優先日】2020-12-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523138529

【氏名又は名称】ヴィルク アンドレアス

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ペレズ ファビアン

(72)【発明者】

【氏名】ヴィルク アンドレアス

【テーマコード（参考）】

4D076

【Ｆターム（参考）】

4D076AA06

4D076AA16

4D076AA24

4D076BB03

4D076CA01

4D076CA12

4D076CA19

4D076DA02

4D076DA21

4D076DA25

4D076EA02Z

4D076EA03Z

4D076EA04Z

4D076EA08Z

4D076EA12Z

4D076EA14Z

4D076HA20

4D076JA03

4D076JA04

(57)【要約】

発明は、腐食性液体を連続的に濃縮する装置に関する。当該装置は、希薄液体を予熱するための再生熱交換器と、主分離機において加熱液体から分離された溶媒蒸気を、熱源として、再生熱交換器の高温側に供給するための蒸気ラインとを備える。本発明は更に、腐食性液体を連続的に濃縮する方法に関し、ここでシステム圧力は１バールを超える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

腐食性液体を連続的に濃縮する装置であって、
前記装置は、希薄腐食性液体のための入り口（１１）を有する流体システム（１０）を備え、
前記流体システム（１０）は、前記入り口（１１）の下流側に、直列配置で、前記希薄液体を予熱するための再生熱交換器（１０１）と、予熱された前記液体を更に加熱するための主熱交換器（１０２）又は加熱要素と、前記加熱された液体から溶媒蒸気を分離するための主分離機（２０１）とを備え、
前記流体システム（１０）は、更に、前記加熱された液体から前記主分離機（２０１）において分離された溶媒蒸気を、前記再生熱交換器（１０１）の高温側に熱源として供給する蒸気ラインを備えることを特徴とする、装置。

【請求項2】

請求項１の装置において、
前記流体システム（１０）は、前記再生熱交換器（１０１）の高温側の下流側に接続され、冷却された溶媒蒸気から凝縮液を分離するための補助分離機（２０２）を更に備えることを特徴とする、装置。

【請求項3】

請求項２の装置において、
前記流体システム（１０）は、前記補助分離機（２０２）において前記冷却された溶媒蒸気から分離された凝縮液を、前記主熱交換器（１０２）又は加熱要素に入る前の前記予熱された液体に供給するための還流ラインを更に備えることを特徴とする、装置。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１つの装置において、
少なくとも、前記主熱交換器（１０２）又は加熱要素、及び、前記主分離機（２０１）における媒体に接触する部分の一部又は全部は、媒体に接触する部分がシリコンカーバイドからなるか、又は、シリコンカーバイドにより被覆されていることを特徴とする、装置。

【請求項5】

腐食性液体を連続的に濃縮する方法であって、
ａ）希薄腐食性液体が流体システム（１０）に連続的に供給され、
ｂ）前記液体は、所定のシステム圧力において、前記流体システム（１０）内で、液体－蒸気混合物を発生させるために十分な温度に加熱され、
ｃ）前記溶媒蒸気は、前記液体－蒸気混合物から分離され、
システム圧力は、１バールを超え、好ましくは２バールを超えることを特徴とする、方法。

【請求項6】

請求項５の方法において、
前記システム圧力は、２から２０バールの間であり、好ましくは３から１０バールの間であり、更に好ましくは４から７バールの間であることを特徴とする、方法。

【請求項7】

請求項５又は６の方法において、
工程ｂ）において前記液体が加熱される温度は、２００℃よりも高く、好ましくは２２０℃から４５０℃の範囲内であり、更に好ましくは２５０℃から３００℃の範囲内であることを特徴とする、方法。

【請求項8】

請求項５～７のいずれか１つの方法において、
工程ｂ）における前記液体の加熱は、少なくとも部分的には、工程ｃ）において前記液体－蒸気混合物から分離された前記溶媒蒸気との熱交換により行われることを特徴とする、方法。

【請求項9】

請求項８の方法において、熱交換を通して冷却された溶媒蒸気から凝縮した前記液体の少なくとも一部は、工程ｂ）における加熱の前又はその間に、工程ａ）において供給された前記液体に混合されることを特徴とする、方法。

【請求項10】

請求項５～９のいずれか１つの方法において、
前記腐食性液体は、酸水溶液であり、好ましくは硫酸水溶液であることを特徴とする、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に酸のような腐食性液体を濃縮する装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術において、希酸のような腐食性液体の濃縮は、典型的には多段階プロセスによって行われ、真空中、比較的低温において、水が酸から徐々に除去される。所定の温度において酸から水が除かれるために十分なだけ酸の沸点を下げるために、真空が必要である。EP 0425000 A1において、硫酸を濃縮するための一般的プロセスが開示されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

これらの手法は比較的エネルギー集約的である。これは、プロセスの各段階における廃熱の小さな部分だけしか、プロセスにおいて有益に利用されていないからである。加えて、比較的低温であることから、有機不純物は十分には分解されず、更に別に分離する必要がある。達成可能な酸の濃度の最大値は限定的であり、且つ、装置は大きな空間を要求する。多段階プロセスでは、プロセスパラメータの制御は困難である。

【0004】

本発明の目的は、これらの制限を解消できる、腐食性液体の濃縮装置及び方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

このような背景に対し、発明は、腐食性液体を連続的に濃縮する装置に関する。当該装置は、希薄腐食性液体のための入り口を有する流体システムを備え、流体システムは、入り口の下流に、直列配置で、希薄液体を予熱するための再生熱交換器と、予熱された液体を更に加熱するための主熱交換器又は加熱要素と、加熱された液体から溶媒蒸気を分離するための主分離機とを備える。

【0006】

本発明によると、流体システムは、更に、加熱された液体から主分離機において分離された溶媒蒸気を、再生熱交換器の高温側に熱源として供給する蒸気ラインを備える。

【0007】

腐食性液体は、溶媒中に腐食性物質を含む。腐食性液体を主熱交換器又は加熱要素において加熱した後、溶媒の一部は少量残留した腐食性物質のみを含むガス相を構成し、残りの液相は腐食性物質を高濃度に含む。溶媒蒸気は、主分離機において分離された後、再生熱交換器において熱源として利用可能となる。プロセスから得られる廃熱を用いて再生熱交換器における供給を予熱できることで、非常にエネルギー効率の良いプロセスが可能となる。

【0008】

望ましくは、製品ラインによって、主分離機と、主分離機において分離された濃縮液を受け取るための流体システムの出口とが接続される。製品ラインは、製品を冷却するため冷却熱交換器を備えても良い。

【0009】

入り口に加えて、流体システムは更に、典型的には、濃縮腐食性液体のための出口と、液体から除かれた溶媒のための他の出口とを備える。

【0010】

特に、流体システムは更に、再生熱交換器の高温側の下流に接続され、冷却された溶媒蒸気から凝縮液を分離するための補助分離機を備えても良い。溶媒蒸気中の腐食性物質の概ね全量がこの凝縮液に残り、腐食性物質の痕跡量だけが冷却された溶媒蒸気中に留まる。

【0011】

好ましくは、溶媒出口ラインによって、液体から溶媒を除去するための補助分離機が流体システムの出口に接続されている。

【0012】

更に好ましくは、流体システムは、補助分離機において前記冷却された溶媒蒸気から分離された凝縮液を、主熱交換器又は加熱要素に入る前の予熱された液体に供給するための、還流ラインを更に備える。プロセスパラメータが最適化されていれば、混合されるこれら２つの液体における温度及び腐食性物質濃度は類似する。

【0013】

本発明の更に好ましい実施形態では、少なくとも、主熱交換器又は加熱要素、及び、主分離機における、媒体に接触する部分の一部又は全部は、媒体に接触する部分についてシリコンカーバイドからなるか、又は、シリコンカーバイドにより被覆されている。シリコンカーバイドは、腐食性の高い媒体、例えば濃酸に、４５０℃のような高温においてさえも耐えることができる。

【0014】

本発明は、腐食性液体を連続的に濃縮する方法にも関係し、第１の工程ａ）では希薄腐食性液体が流体システム（１０）に連続的に供給され、第２の工程ｂ）では液体がその後、所定のシステム圧力において、流体システム（１０）内で、液体－蒸気混合物を発生させるために十分な温度に加熱され、且つ、第３の工程ｃ）では、溶媒蒸気が液体－蒸気混合物から分離される。

【0015】

本発明によると、システム圧力は１バールを超え、好ましくは２バールを超える。本発明に従って加えられるシステム圧力は一般に１バールを超え、これにより、腐食性液体の沸点が上昇し、述べた通りの効果が得られる。

【0016】

望ましい圧力範囲は、１バールと２５バールとの間、２バールと２０バールとの間、３バールと１０バールとの間、そして特に４バールと７バールとの間であり、具体的な適用に依存する。システム圧力は、流体システムの入り口１１から出口１２又は１３の間の全体において比較的一定であり、且つ、流体システムにおいて変動が２バール未満、好ましくは１バール未満、より好ましくは０．５バール未満であることが好ましい。

【0017】

加熱された液体及び／又は対応する液体－蒸気混合物の温度は、好ましくは２００℃よりも高い。好ましい範囲は、２２０℃から４５０℃の温度範囲、特に、２５０℃から３００℃の温度範囲を含む。

【0018】

特に、本発明の方法では、工程ｂ）における液体の加熱は、少なくとも部分的には、工程ｃ）において液体－蒸気混合物から分離された溶媒蒸気との熱交換により行われる。例えば、液体は、１１０℃から２２０℃の温度範囲、特に、１４０℃から１９０℃の温度範囲に余熱されても良い。

【0019】

更に好ましくは、方法の一実施形態では、熱交換を通して冷却された溶媒蒸気から凝縮した液体の少なくとも一部は、工程ｂ）における加熱の前又はその間に、工程ａ）において供給された液体に混合される。

【0020】

本方法は、本発明の装置において実行できる。この構成では、工程ｂ）において、希薄腐食性液体は、再生熱交換器において予熱されることができ、これは工程ｃ）において液体－蒸気混合物から分離された溶媒蒸気からの熱を吸収することで行われ、更に、主熱交換器又は加熱要素において目標温度まで加熱される。工程ｃ）による分離は、主分離機において実行できる。溶媒蒸気からの凝縮液の分離は、再生熱交換器によって冷却された後に、補助分離機において実行できる。

【0021】

本発明の装置及び方法は、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）、硝酸（ＨＮＯ_３）、塩酸（ＨＣｌ）若しくはフッ化水素酸（ＨＦ）のような酸の濃縮、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）若しくは水酸化カリウム（ＫＯＨ）のような塩基の濃縮、又は、酸化性液体のような他の腐食性液体の濃縮に適している。

【0022】

高い温度及び圧力により、非常に大幅な濃度の上昇を、共沸混合物における水分率よりも僅かに高い水分率となる濃度まで、一段階で達成できる。例えば、共沸混合物における水分率との水分率の差は、１０％未満、５％未満、更には２％未満である。硫酸の場合、その共沸混合物は９８％の硫酸を含み、３０％未満又は２０％未満の低い濃度から、８０％以上、９０％以上、更には９５％以上までの濃度の上昇が、本発明の方法により、一段階で達成できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、望ましくは水溶液中に腐食性物質を含む腐食性液体を濃縮するための、本発明の装置の例示的実施形態を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

本発明の更なる詳細及び利点は、図面の参照を伴う以下の例示的実施形態から明らかになる。

【0025】

図１は、望ましくは水溶液中に腐食性物質を含む腐食性液体を濃縮するための、本発明の装置の例示的実施形態を模式的に示す図である。

【0026】

装置は、希薄腐食性液体のための入り口１１と、濃縮腐食性液体のための出口１２と、溶媒蒸気のための他の出口１３と、を含む流体システム１０を備える。

【0027】

希薄腐食性液体は、供給ポンプ３０１により入り口１１から流体システム１０に供給される。供給ポンプ３０１の媒体に接触する部分は、耐食性高機能合金、例えばインコネル（登録商標）又はハステロイ（登録商標）シリーズの合金により作られている。流体システム１０に供給される希薄腐食性液体の温度は、概ね環境温度であるか、又は、１０℃から５０℃の間の一般的な温度範囲にある。

【0028】

流体システム１０内の温度は、一般に１バールを超え、例えば、４から７バールの間である。圧力は、流体システムを通して一定の範囲内に維持される。理想的には、入り口１１と出口１２又は１３との間の圧力低下は１バール未満である。

【0029】

流体システム１０に入った後、液体は初めに再生熱交換器１０１を通過し、ここで、以下でより詳しく由来を述べる高温の溶媒蒸気との熱交換により、予熱される。加熱された希薄腐食性液体の温度は、再生熱交換器１０１の出口において、例えば、１４０℃から１９０℃の範囲であっても良い。ここでも、高められたシステム圧力により、溶媒の蒸発はまだあまり起こらない。

【0030】

その後、予熱された希薄液体１２は主熱交換器１０２を通過し、そこで高温のオイルのような相応しい媒体１０２ａとの熱交換により、更に高温、例えば２２０℃を超える温度、適用分野によっては２５０℃から３００℃の間の温度、他の適用分野では腐食性液体の溶媒が高められたシステム圧力に関わらす蒸発する温度まで、加熱される。蒸発により、主熱交換器１０２の下流に位置する主分離機２０１において、高温媒体を、濃縮腐食性液体の流れと、僅かな量の腐食性物質だけを含む溶媒蒸気の流れとに分離することができる。

【0031】

主分離機２０１から出た濃縮腐食性液体は、その後、冷却熱交換器１０３において冷却水１０３ａとの熱交換により望ましい製品温度、例えば８０℃未満、５０℃未満まで冷却された後、濃縮腐食性液体出口１２を通って流体システム１０から出る。

【0032】

主分離機２０１において分離され、まだ一定量の腐食性物質を含む高温の溶媒蒸気は、再生熱交換器１０１の高温側に供給され、ここで希薄腐食性液体に熱を移動して、例えば、１１０℃から２２０℃、特に１４０℃から１９０℃まで冷却される。概ね一定の圧力下での冷却によって起こる溶媒蒸気の部分的な凝縮により、再生熱交換器１０１の高温側の下流に配置された補助分離機２０２内において、この媒体の流れは液体の流れと蒸気の流れとに分離される。

【0033】

補助分離機２０２内で分離された液体の流れは、再生熱交換器１０１の低温側と主熱交換器１０２との間の位置において、戻しポンプ３０２の作用により、加熱された新しい腐食性液体の流れに混合される。プロセスパラメータが最適化されていれば、これら２つの液体における温度及び腐食性物質濃度は類似する。

【0034】

補助分離機２０２内において分離された溶媒蒸気は、痕跡量の腐食性物質だけを含んでおり、溶媒蒸気出口１３を通って流体システム１０から出る。

【0035】

特定の例では、３０％の硫酸水溶液（Ｈ_２ＳＯ_４）を入り口１１からシステムに１０，０００ｋｇ／時間の流量で供給できる。この硫酸の温度は３０℃であっても良く、システム入り口圧力は５．３バールに設定できる。再生熱交換器１０１において、温度は１６５℃に上昇する一方、圧力は概ね一定に維持される（５．２５バール）。１６５℃且つ５．２５バールにおいて、３０％の硫酸は液体のままである。主熱交換器１０２において、硫酸は、補助分離機２０２から還流された液体の追加によりこの時１１，５００ｋｇ／時間に流量が増しており、２９０℃まで加熱される。ここでも、圧力は概ね一定に維持される（５．１バール）。２９０℃且つ５．１０バールにおいて、水が硫酸から蒸発し、且つ、媒体の流れは、主分離機２０１において、高温の８５％硫酸の液体の流れ（約３，５００ｋｇ／時間）と、高温の４％硫酸の蒸気の流れ（約８，０００ｋｇ／時間）とに分離される。８５％硫酸の液体の流れは、冷却熱交換器１０３において約５０℃まで冷却され、出口１２を通って流体システム１０から出る。高温の４％硫酸の流れは、再生熱交換器１０１の高温側に供給され、新しく供給された希硫酸に熱を移動させて約１６０℃まで冷却される。やはり概ね一定の約５バールの圧力におけるこの冷却により、蒸気が部分的に凝縮するので、約１６０℃の約３０％硫酸の液体の流れ（約１，５００ｋｇ／時間）と、痕跡量の硫酸のみを含む約１６０℃の水蒸気の流れ（約６，５００ｋｇ／時間）との分離が補助分離機２０２において可能となる。蒸気は、出口１３を通って流体システム１０から出る。これと共に、液体の流れは、戻りの流れとして、主分離機２０１の上流における新しい酸の流れに混合される。

【0036】

この例では、主熱交換器１０２において高温オイル１０２ａ用いて腐食性流体を加熱するために必要なパワーは、約４６５０ｋＷである。冷却のために、約４５０ｋＷが更に用いられる。これら使用された５１００ｋＷのうち、約３９５０ｋＷつまり８０％は、プロセスの構成により再利用される。

【0037】

硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）の濃縮に加えて、説明した装置及び方法は、例えば硝酸（ＨＮＯ_３）、塩酸（ＨＣｌ）若しくはフッ化水素酸（ＨＦ）のような他の酸の濃縮、又は、例えば水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）若しくは水酸化カリウム（ＫＯＨ）のような塩基の濃縮、又は、例えば酸化性液体のような他の腐食性液体の濃縮にも適切に用いることができる。

【0038】

主熱交換器１０２及び主分離機２０１における媒体と接する部分は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなることが好ましい。というのは、この物質は、腐食性の高い媒体、例えば濃酸に、例えば２２０℃を超える高温においてさえも耐えることができるからである。補助分離機２０２における媒体と接する部分については、高温での化学的耐性の要求は低くなる。従って、不活性のポリマー、例えばＰＦＡ又はＰＴＦＥによる被覆が好まれ得る。

【0039】

高い温度により腐食性媒体中の有機不純物は分解するので、濃縮された製品（出口１２）及び腐食性物質を含まない溶媒（出口１３）の両方とも、そのような不純物を含まない。プロセスの廃熱を用いて再生熱交換器１０１において希薄腐食性媒体を予熱するので、この方法は非常にエネルギー効率が良い。この方法は連続的方法であり、希薄腐食性液体が連続的に入り口１１から流体システム１０に供給され、且つ、濃縮腐食性液体及び溶媒が連続的に出口１２及び１３から取り出される。

【図1】

【国際調査報告】