[일본] 증류공정 50% 이상 에너지절약화 가능한 무기분리막 개발
세계 최초, 석유화학공정에서 연속 200시간 달성
신에너지산업기술종합개발기구(New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO)와 와세다대학, JX일광일석에너지주식회사, 히타치조선주식회사, 미쯔비시화학주식회사, 지요다화공건설주식회사, 주식회사 노리타케 등 연구그룹은 NEDO 프로젝트의 성과로서 석유화학공장이 증류공정에서 대폭적인 에너지 절약화를 실현하기 위해 공업적으로 이용 가능한 무기분리막의 개발에 성공하였다.
이 무기분리막과 기존 탈수방법인 증류공정을 조합시키면 50% 이상의 에너지 절약화를 기대할 수 있다. 본 프로젝트에서는 JX일광일석에너지주식회사 가와사키제조소에 시험장치(처리량 60kg/h)를 설치하고 2013년 2월부터 세계 최초가 되는 석유화학공장에서 무기분리막의 성능평가시험(실환경에서 실험)을 실시하여 연속운전 200시간을 달성하였다.
일본에서 화학산업은 산업부문에서 가장 에너지를 소비하는 산업이다. 그 중에서도 분리, 정제를 목적으로 하는 증류공정에서는 화학산업 중 약 40% 정도의 대량 에너지가 소비되고 있다. 대규모 에너지절약화를 달성하기 위해서는 공정 자체의 전환이 필요하다. 때문에 막에 의한 분리 및 정제를 가능하게 하는 “무기막 분리기술”은 증류공정에서 소비되는 에너지를 대폭 삭감하는 혁신적인 기술로서 기대되고 있다.
(1) 내수성에 우수한 무기분리막의 개발(1m)에 성공
이번에 물과 이소프로필 알코올(IPA)의 혼합물로부터 물을 제거하는 방법(탈수)을 대상으로 무기분리막의 개발을 수행하였다. IPA는 공업원료 이외에 의료기관에서의 소독 및 연료의 탈수에 사용되는 유기용제이다.
기존의 대표적인 무기분리막(A형 제올라이트막)은 내수성이 낮고, 실용화 범위가 한정되어 있었지만, 이번 NEDO 프로젝트에서는 나노수준에서의 결정조성 최적화 및 결정 성형기술의 개발 등에 대응하여 수분농도가 20%인 혼합물로부터 물의 분리가 가능하게 되었다. 또한 관형 다공질 제올라이트 지지체에 무기분리막을 설치한 막 엘리먼트의 개발에서는 막제조 단계에서의 조성 및 온도 등을 균질화함으로써 물/IPA의 분리성능에 우수한 길이 1m의 막 엘리먼트 제조기술을 확립하였다.
(2) 무기분리막과 증류공정을 조합시켜 50% 이상의 에너지절약화가 가능
실용화를 향한 대응으로서 무기분리막과 기존 탈수방법인 증류공정을 조합시키면 50% 이상의 에너지절약화가 가능하다는 것을 알 수 있다. 증류공정에서는 일반적으로 증류 후 액체를 증류탑에 되돌리고(환류) 용액을 농축한다. 무기분리막을 이 환류부분에 설치함으로써 환류량이 저감하기 때문에 증류탑에서 필요한 열부하가 감소하여 대폭적인 에너지절약화가 가능하게 된다.
(3) 세계 최초 실제 환경의 실험에서 연속운전 200시간을 달성
실제 생산설비에 적용하기 위한 첫 번째 과정으로서 JX일광일석에너지주식회사 가와사키제조소에 설치한 시험장치에서 IPA제조장치의 유분을 사용한 무기분리막의 성능평가를 수행하여 연속운전 200시간을 달성하였다.
2014년 이후, 조기 실용화를 목표로 규모를 확대한 실증시험의 실시를 검토하고 있다. 또한 본 프로젝트와 병행하여 개발하고 있는 내산성 무기분리막을 이용함으로써 제조량이 많은 “아세트산”의 탈수 프로세스에의 적용을 검토하고 있다.
본 프로젝트의 계산에서는 장래적으로는 화학산업에서 증류공정의 약 13%를 무기분리막으로 교환하고, 2030년에는 원유 환산으로 약 55만 kL의 에너지절약화(이산화탄소 삭감: 약 146만 톤) 및 약 2,000억 엔의 신규시장 창출이 기대된다.
[원문보기]
NEDOと早稲田大学、JX日鉱日石エネルギー株式会社、日立造船株式会社、三菱化学株式会社、千代田化工建設株式会社、株式会社ノリタケカンパニーリミテド等のグループは、NEDOプロジェクト※の成果として、石油化学工場の蒸留工程における大幅な省エネルギー化を実現するため、工業利用可能な無機分離膜の開発に成功しました。この無機分離膜と従来の脱水方法である蒸留工程を組み合わせれば、50%以上の省エネルギー化が期待できます。
本プロジェクトでは、JX日鉱日石エネルギー株式会社川崎製造所に試験装置（処理量60kg/h）を設置、2013年2月から、世界初となる石油化学工場における無機分離膜の性能評価試験（実環境下試験）を行い、連続運転200時間超を達成しました。
- 「グリーンサステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発／規則性ナノ多孔体精密分離膜部材基盤技術の開発」（詳細は用語解説※1参照）
1. 背景
我が国のなかで化学産業は産業部門において、もっともエネルギーを消費する産業です。なかでも分離・精製を目的とする蒸留工程では、化学産業のうち約40%もの大量のエネルギーが消費されています。更なる大規模な省エネルギー化を達成するためには、工程自体の転換が必要です。
そのため、膜による分離・精製を可能とする「無機膜分離技術」は、蒸留工程で消費されるエネルギーを大幅に削減する革新的な技術として期待されています。
2. 今回の成果
（1）耐水性に優れた無機分離膜の開発および長尺化（1m）に成功
今回、水とイソプロピルアルコール（IPA）の混合物から水を取り除く方法（脱水）を対象に無機分離膜の開発を行いました。IPAは、工業原料のほか医療機関での消毒や燃料用の水抜きに使用される有機溶剤です。
従来の代表的な無機分離膜（A型ゼオライト膜※2）は耐水性が低く、実用化の範囲が限られていましたが、今回のNEDOプロジェクトではナノレベルでの結晶組成の最適化や結晶の成形技術の開発などに取り組み、水分濃度20%超の混合物からの水の分離が可能となりました（図2）。
また管状の多孔質セラミック支持体に無機分離膜を施した膜エレメントの開発では、製膜段階での組成や温度などを均質化することで、水/IPAの分離性能に優れた長さ1mの膜エレメントの製造技術を確立しました（図3）。
図3. 長尺膜エレメント（1m）
（2）無機分離膜と蒸留工程の組み合わせで、50%以上の省エネルギー化が可能
さらに実用化に向けた取り組みとして、無機分離膜と従来の脱水方法である蒸留工程を組み合わせれば、50%以上の省エネルギー化が可能となることがわかりました。
蒸留工程では一般的に蒸留後の液体を蒸留塔に戻し（還流）、溶液の濃縮を行います。無機分離膜をこの還流部分に組み込むことで還流量が低減するので、蒸留塔で必要な熱負荷が減少し、大幅な省エネルギー化が可能となります（図4）。
（3）世界初の実環境下試験で連続運転200時間超を達成
実生産設備へ適用するための第一歩として、JX日鉱日石エネルギー株式会社川崎製造所に設置した試験装置でIPA製造装置の留分を使用した無機分離膜の性能評価を行い、連続運転200時間超を達成しました。
現在、連続運転1000時間超を目指し、分離性能と耐久性能について実環境下での評価を重ねています。
3. 今後の予定
2014年度以降は、早期の実用化を目指して、規模を拡大した実証試験の実施を検討していきます。また、本プロジェクトで並行して開発している耐酸性の無機分離膜を用いることで、さらに製造量の多い「酢酸」の脱水プロセスへの適用を検討していきます。
本プロジェクトの試算では、将来的には化学産業における蒸留工程の約13%を無機分離膜に置き換えることにより、2030年には原油換算で約55万kLの省エネルギー化（CO2削減：約146万トン）及び約2000億円の新規市場創出が期待されます。
4. お問い合わせ先
（本プレスリリースの内容についての問い合わせ先）
NEDO 電子・材料・ナノテクノロジー部 担当：森田、井出 TEL：044-520-5220
学校法人早稲田大学 広報室広報課 担当：木綿、小泉 TEL：03-3203-4141
JX日鉱日石エネルギー株式会社 広報部広報グループ 担当：林 TEL：03-6275-5046
日立造船株式会社 総務・人事部（広報グループ） 担当：河井、中尾 TEL：06-6569-0013
〃 〃 （東京総務グループ） 担当：山本、永井 TEL：03-6404-0802
株式会社三菱ケミカルホールディングス 広報・IR室 担当：堀江 TEL：03-6748-7140
千代田化工建設株式会社 IR・広報セクション 担当：伊藤、高橋 TEL：045-225-7734
株式会社ノリタケカンパニーリミテド 広報室 担当：西川、野田 TEL：052-561-7110
（その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先）
NEDO 広報室 担当：遠藤、木内 TEL：044-520-5151 E-mail：nedo_press@ml.nedo.go.jp
【参考：用語解説】
（※1） 名称： グリーンサステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発／規則性ナノ多孔体精密分離膜部材基盤技術の開発
期間： 2009～2013年度
参加機関： 学校法人早稲田大学
JX日鉱日石エネルギー株式会社
日立造船株式会社
三菱化学株式会社
千代田化工建設株式会社
株式会社ノリタケカンパニーリミテド
一般財団法人ファインセラミックスセンター
国立大学法人宇都宮大学
国立大学法人大阪大学
国立大学法人名古屋工業大学
国立大学法人山口大学
学校法人芝浦工業大学
（※2） A型ゼオライト膜
ゼオライト膜はシリコン、アルミ、酸素を主成分とした結晶性化合物であり、分子レベルの微細な孔を持っていることから、様々な分離工程や触媒として活用されています。A型はバイオエタノールの脱水工程などに実用化されているゼオライトの結晶構造の一種です。
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