熱交換型蒸留装置
【課題】通常の蒸留塔と比べて、エネルギー効率が高く、設計の自由度が大きく装置のメンテナンスも容易になる熱交換型蒸留装置を提供する。
【解決手段】本発明の蒸留装置は、濃縮塔１と、濃縮塔１よりも高い位置に配置された回収塔２と、回収塔の塔頂部２ｃと濃縮塔の塔底部１ａを連通させる第一の配管２３と、回収塔の塔頂部２ｃからの蒸気を圧縮して濃縮塔の塔底部１ａに送るコンプレッサー４とを備える。さらに本発明の蒸留装置は、濃縮塔１の所定の段に配置された熱交換器８と、回収塔２の所定の段に配置され、該所定の段から一部の液を塔外部へ抜き出す液抜き部２ｄと、液抜き部２ｄからの液を熱交換器８へ導入する第二の配管２４と、第二の配管２４を経由して熱交換器８へ導入された後に該熱交換器８より流出する流体を液抜き部２ｄの直下の段へ導入する第三の配管２５と、を備えている。
【解決手段】本発明の蒸留装置は、濃縮塔１と、濃縮塔１よりも高い位置に配置された回収塔２と、回収塔の塔頂部２ｃと濃縮塔の塔底部１ａを連通させる第一の配管２３と、回収塔の塔頂部２ｃからの蒸気を圧縮して濃縮塔の塔底部１ａに送るコンプレッサー４とを備える。さらに本発明の蒸留装置は、濃縮塔１の所定の段に配置された熱交換器８と、回収塔２の所定の段に配置され、該所定の段から一部の液を塔外部へ抜き出す液抜き部２ｄと、液抜き部２ｄからの液を熱交換器８へ導入する第二の配管２４と、第二の配管２４を経由して熱交換器８へ導入された後に該熱交換器８より流出する流体を液抜き部２ｄの直下の段へ導入する第三の配管２５と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多くの工業プロセスで広く適用される蒸留操作を実施するための蒸留装置であって、特に熱交換型蒸留装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸留分離操作は、工業プロセス全般で広く適用されているが、消費エネルギーが非常に大きい単位操作でもある。そのため産業界では消費エネルギーを低減できる蒸留装置の研究がなされてきた。こうした研究において、少エネルギー性に優れた蒸留装置として内部熱交換型蒸留塔（Heat Integrated Distillation Column、以下、HIDiC と称す。）の開発が行われている。
【０００３】
このHIDiCの基本的なシステムは図６に示すように、濃縮部（高圧部）と回収部（低圧部）を分離して並べた構造を有している。そして、濃縮部の操作温度が回収部の操作温度よりも高くなるように、濃縮部の操作圧力を回収部の操作圧力よりも高くする。このことによって、両者間に熱交換面があれば濃縮部から回収部に熱移動が生じるため、リボイラーにおける入熱量を小さくできる。また濃縮部の熱は回収部へ移動するため、コンデンサーにおける除熱量も小さくできる。したがって、エネルギー効率が極めて高い蒸留装置となる。
【０００４】
このようなHIDiCを実用化するために、特許文献１に示すような二重管構造を有する蒸留装置が提案されている。
【０００５】
この蒸留装置は、図７に示すように、本体胴５１と、本体胴５１内に挿入された複数のチューブユニット５２とを備え、各チューブユニット５２を上側チューブシート５３ａ及び下側チューブシート５３ｂによって本体胴５１と連結させることにより形成されている。
【０００６】
各チューブユニット５２は二重管構造を有しており、チューブユニット５２の内管５４が濃縮部、内管５４の外側面を囲む外管５が回収部として利用される。内管５４の内部と外管５５と内管５４の間には充填物（規則充填物）５４ａ，５５ａが充填されている。チューブユニット５２については図８も参照されたい。また複数のチューブユニット５２は外管５５の外壁６５どうしが互いに接触するように配設されている。
【０００７】
再び図７を参照すると、本体胴５１の上部には、外管（回収部）５５に原料液を供給するための回収部液入口５６と、外管５５からの蒸気を抜き出す回収部蒸気出口５７とが配設されている。
【０００８】
上側チューブシート５３ａより上側に、内管（濃縮部）５４のみと連通するチャンネル５８ａが形成されている。外管５５の上端面は上側チューブシート５３ａから離れて開放されている。
【０００９】
上側チャンネル５８ａには、内管５４に液（還流液）を供給するための濃縮部液入口５９と、内管５４からの蒸気を抜き出す濃縮部蒸気出口６０とが配設されている。
【００１０】
本体胴５１の下部には、外管５５に蒸気を供給するための回収部蒸気入口６１と、外管５５からの液を抜き出す回収部液出口６２とが配設されている。
【００１１】
下側チューブシート５３ｂより下側に、内管５４のみと連通するチャンネル５８ｂが形成されている。外管５５の下端面は下側チューブシート５３ｂから離れて開放されている。
【００１２】
下側チャンネル５８ｂには、内管５４に蒸気を供給するための濃縮部蒸気入口６３と、内管５４からの液を抜き出す濃縮部液出口６４とが配設されている。
【００１３】
上記の蒸留装置では、原料液が回収部液入口５６から供給され、それぞれのチューブユニット５２の外管５５の上面に均一に分散される。各外管５５の上端面に供給された原料液のうちの、外管５５を鉛直方向下側に蒸留されながら流下できた液は、回収部液出口６２から塔外のリボイラーに流れて加熱される。リボイラーの加熱で生じた蒸気は回収部蒸気入口６１から再び塔内に入る。回収部蒸気入口６１からの蒸気は各チューブユニット５２の外管５５の下面に分配され、各外管５５を鉛直方向上側に向かう。気化せずに残った液は缶出製品として払出される。
【００１４】
外管５５を鉛直方向上側に蒸留されながら上昇できた蒸気は回収部蒸気出口５７からコンプレッサーに向かう。コンプレッサーを経た蒸気は濃縮部蒸気入口６３から入る。濃縮部蒸気入口６３からの蒸気は各内管５４の下面から鉛直方向上側に向かう。内管５４を鉛直方向上側に蒸留されながら上昇した蒸気は各内管５４の上面を出て、濃縮部蒸気出口６０から塔外のコンデンサーに向かう。濃縮部から出た蒸気はコンデンサーにて、全凝縮、或いは部分凝縮し、必要な場合、一部は還流として内管５４へ濃縮部液入口５９を介して供給され、残りは留出製品として払出される。
【００１５】
こうした構成は濃縮部（内管５４）から回収部（外管５５）へ熱移動が生じるため、リボイラーにおける入熱量とコンデンサーにおける除熱量を小さくでき、エネルギー効率が極めて高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００４−１６９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１に開示されるように濃縮部と回収部が二重管構造で構築された熱交換型蒸留装置は、次の１）〜６）のような課題がある。
【００１８】
１）製品のサイドカットを行なうことが出来ない。サイドカットとは、最終の留出製品を得るまでの蒸留プロセスの途中のものを中間留分製品として抽出することをいう。
【００１９】
特許文献１記載の蒸留装置では二重管構造のチューブユニット群が互いに接するように配置されている。その上、外管および内管には規則充填物が充填されている。このため、各チューブユニットの内管から中間留分製品を取り出せるように配管を形成することが出来ず、結果、サイドカットが出来ない。
【００２０】
２）原料供給段（フィード段）の最適化を行うことが出来ない。二重管構造で構築された濃縮部と回収部ではそれぞれの充填高が同じになってしまい、濃縮部と回収部の段数を自由に設定できないからである。
【００２１】
３）供給する原料に応じて供給位置を変えられない。上記２）で述べたようにフィード段位置を自由に設定できない構造だからである。
【００２２】
４）マルチフィード（複数の原料ストリームの受け入れ）に対応できない。上記１）で述べたように二重管の途中に原料を供給することができない構造だからである。
【００２３】
５）装置のメンテナンスが困難である。上記１）で述べたように規則充填物を用いたチューブユニットが互いに隣接して密集している為、所望のチューブユニットへ完全にアクセスすることが出来ず、それらのメンテナンスを行うことが出来ない。
【００２４】
６）二重管を用いた濃縮部と回収部の間の熱交換量は、伝熱面積に対して設計上の自由度がなく蒸留塔の温度分布のみに依存しており、装置設計において熱交換量の設計上の自由度が小さい。
【００２５】
濃縮部と回収部の間での熱交換量Ｑは、総括伝熱係数をＵとし、伝熱面積をＡとし、濃縮部と回収部の間の温度差をΔＴとすると、Ｑ＝Ｕ×Ａ×ΔＴ で表される。二重管構造を用いたHIDiCでは内管壁面が伝熱面積となる。この伝熱面積は二重管の形で決まる固定値である。また総括伝熱係数についても、伝熱構造および熱交換を行う流体物性により決まる固定値である。そのため、上記の熱交換量算出式から分かるように、設計時の熱交換量は、濃縮部と回収部の操作圧力によって変化する、濃縮部と回収部の間の温度差によって変更できるだけである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、上記のような課題を解決することができる熱交換型蒸留装置を提供することにある。
【００２７】
本発明の熱交換型蒸留装置は、濃縮部として利用される塔体であり棚段塔部或いは充填塔部を有する濃縮塔と、濃縮塔よりも高い位置に配置され、回収部として利用される塔体であり棚段塔部或いは充填塔部を有する回収塔と、回収塔の塔頂部と濃縮塔の塔底部を連通させる第一の配管と、第一の配管の途中に設置され、回収塔の塔頂部からの蒸気を圧縮して濃縮塔の塔底部に送るコンプレッサーと、を備える
このような態様に加えて、本発明の一例は、濃縮塔の所定の段に配置された熱交換器と、回収塔の所定の段に配置され、該所定の段から一部の液を塔外部へ抜き出す液抜き部と、液抜き部からの液を熱交換器へ導入する第二の配管と、該第二の配管を経由して熱交換器へ導入された後に該熱交換器より流出する流体を液抜き部の直下の段へ導入する第三の配管と、をさらに備えている。
【００２８】
この態様例では、第二の配管によって回収塔から濃縮塔の熱交換器へ液体が流れ、この熱交換器によって濃縮塔内の蒸気の熱を奪い、この熱を第三の配管によって濃縮塔から回収塔へ移動させることができる。また、回収塔から濃縮塔へ重力により液体が流れ、これによって、熱交換器内の流体は濃縮塔から回収塔へ押し流される。すなわち本態様の構成はサーモサイフォン方式となっているため、濃縮塔から鉛直方向上側の回収塔への液送においてポンプなどの圧送手段を必要としない。
【００２９】
また、上記一例に替わる別の例は、回収塔の所定の段に設けられ、上から流下してきた液を溜める液溜め部と、回収塔の液溜め部内に配置された熱交換器と、濃縮塔の所定の位置に設けられた、上下の段を完全に仕切る仕切板と、仕切板の下側の段の蒸気を熱交換器へ導入する第二の配管と、該第二の配管を経由して熱交換器へ導入された後に該熱交換器より流出する流体を仕切板の上側の段へ導入する第三の配管と、を備えている。
【００３０】
この代替例では、第二の配管によって濃縮塔内の蒸気を塔外に抜き出し、その蒸気を回収塔内の熱交換器に導入して、濃縮塔の熱を回収塔に移動させることができる。また、濃縮塔内の高圧蒸気は回収塔における熱交換器に向かって第二の配管を上昇し、これによって、熱交換器内で蒸気から変移した液が回収塔から塔外の第三の配管に押し出され、濃縮塔へ重力により流れる。したがって、本態様の構成においてもポンプなどの圧送手段は不要である。
【００３１】
また上記の一例や代替例のように第二及び第三の配管並びに熱交換器を用いて濃縮塔から回収塔へ熱移動を行う装置構成は、このような熱移動の構成を備えない蒸留装置と比べて、濃縮塔の塔頂部に取り付けられるコンデンサーの除熱量が小さくでき、また、回収塔の塔底部に取り付けられるリボイラーの入熱量も小さくできる。結果、エネルギー効率の極めて高い蒸留装置を提供することができる。
【００３２】
また、濃縮塔や回収塔が普通の蒸留装置と同じ棚段塔部或いは充填塔部を用いて構成されるものなので、サイドカットやマルチフィードの実施において装置を特別に改良することなく対応することが可能で、また装置のメンテナンスも容易に可能である。また同様の理由から、濃縮塔や回収塔の段数の設定には自由度があり、原料供給段の最適化も行える。
【００３３】
さらに、伝熱面積が設計の自由度となるので、塔内温度差に依存しないで熱交換量を決定できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、エネルギー効率が優れ、サイドカットの実施やフィード段位置の設定に対して容易に対応することができ、装置のメンテナンスも容易になる。
【００３５】
また、本発明の装置は設計の自由度が増した装置構造となるため、ユーザー側に受け入れられやすい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第一の実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図。
【図２】図１の液抜き部の構成図。
【図３】図１の濃縮塔内に配置されたチューブバンドル型熱交換器の周辺構成を示す図。
【図４】本発明の第二の実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図。
【図５】図４の回収塔内に配置されたチューブバンドル型熱交換器の周辺構成を示す図。
【図６】ＨＩＤｉＣの基本的な構造を示す図。
【図７】特許文献１に記載の、二重管構造を用いた熱交換型蒸留塔を示す図。
【図８】図７の蒸留塔における二重管構造を示す水平断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
内部熱交換型ではない普通の蒸留装置は、鉛直方向に建てられる塔であって塔底部と棚段塔部（或いは充填塔部）と塔頂部とで構成された塔からなり、棚段塔部（或いは充填塔部）は原料供給位置を境に上側が濃縮部（高圧部）、下側が回収部（低圧部）となっている。これに対し、本発明の熱交換型蒸留装置は、上記のような回収部と濃縮部を分離して、鉛直方向に延びる回収部として利用される塔体（回収塔）と、鉛直方向に延びる濃縮部として利用される塔体（濃縮塔）とを設け、回収塔を濃縮塔よりも高い位置に配置した点を基本的特徴とする。以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３８】
（第一の実施形態）
図１は第一の実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図を示している。本実施形態の熱交換型蒸留装置は、濃縮塔１と、濃縮塔１よりも高い位置に配置された回収塔２と、を有している。濃縮塔１は、塔底部１ａと、棚段塔部（或いは充填塔部）１ｂと、塔頂部１ｃとから構成されている。回収塔２もまた、塔底部２ａと、棚段塔部（或いは充填塔部）２ｂと、塔頂部２ｃとから構成されている。
【００３９】
棚段塔部１ｂ，２ｂは塔内に水平な棚板（トレイ）をいくつも設置したタイプの塔である。それぞれの棚板間の空間を段という。各段では気液接触が促進され物質移動が行われる結果、より揮発性の高い成分に富むことになった気相は上の段に送られ、より揮発性の低い成分に富むことになった液相は下の段へ流れ落ち、そこでまた新たな液相、或いは気相と気液接触を行い物質移動が行われる。このようにして塔の上部の段ほど揮発性の高い成分に富み、下部の段ほど揮発性の低い成分に富むことになり、蒸留操作が行われる。
【００４０】
棚段塔部に置換可能な充填塔部は中空の塔内に何らかの充填物を入れ、その表面で気液接触を行わせるタイプの塔である。棚段塔部と同じ機構により塔の上部ほど揮発性の高い成分に富み、下部ほど揮発性の低い成分に富むことになり、蒸留操作が行われる。
【００４１】
図１では棚段塔部１ｂ，２ｂ（或いは充填塔部）の内部が空白に描かれているが、実際は上記のような構造が採られている。
【００４２】
さらに濃縮塔１および回収塔２の各々について個別に詳述する。まずは、回収塔２を説明する。
【００４３】
回収塔２の塔底部２ａの外側には、リボイラーと呼ばれる加熱器３が配設されており、配管２１が塔底部２ａの空間下部から加熱器３を介して塔底部２ａの空間上部へ設けられている。したがって、回収塔２の棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）を流下した液は塔底部２ａに溜まり、この液の一部は加熱器３で加熱されて蒸気になって塔底部２ａに戻る。また、塔底部２ａの最底から、揮発性の低い成分に富んだ缶出液が配管２２を通して得られる。
【００４４】
回収塔２の塔頂部２ｃは原料を供給する位置となっている。塔頂部２ｃはコンプレッサー４を介して濃縮塔１の塔底部１ａに、配管２３を用いて接続されている。本実施形態では原料供給位置を回収塔２の塔頂部２ｃとしたが、原料供給位置は棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）の任意の段であってもよい。また、原料が複数存在する場合でも、原料供給位置は回収塔２の塔頂部２ｃと、それ以外の任意の段（濃縮塔１の段も含む）とすることも可能である。
【００４５】
加えて、回収塔２の棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）は所定の段に液抜き部２ｄを有している。液抜き部２ｄは、図２に示すように、回収塔２の上部から流下してきた液１０を液溜め用棚板５に溜め、液１０の一部を回収塔２の外部へ抜き出す。液抜き部２ｄには、液１０の一部を濃縮塔１へ向かわせる配管２４が接続されている。また、液抜き部２ｄの直ぐ下の段には、濃縮塔１側からの配管２５が回収塔２の外壁を貫通して挿入されている。液抜き部２ｄの直ぐ下の段に挿入された配管２５からは、後述するように蒸気１１と液１２が混ざった流体が導入され、蒸気１１は上昇し、液１２は下へ落ちる。
【００４６】
さらに濃縮塔１を説明する。
【００４７】
濃縮塔１の塔底部１ａの最底には配管２６の一端が接続されており、この配管２６の他端は、回収塔２の塔頂部２ｃへ原料を供給する配管２７と接続されている。濃縮塔１の塔底部１ａに溜まった液を、濃縮塔１よりも高い位置に位置する回収塔２の塔頂部２ｃに還流するため、配管２６の途中には送出ポンプ６が必要となる。
【００４８】
濃縮塔１の塔頂部１ｃの外側には、コンデンサーと呼ばれる凝縮器７が配設されており、配管２８が塔頂部１ｃの空間上部から凝縮器７へ設けられている。したがって、濃縮塔１の塔頂部１ｃに移動してきた蒸気は凝縮器７で冷却されて液体になり、揮発性の高い成分に富んだ留出液が得られる。また、その液体の一部は必要に応じて塔頂部１ｃに還流される。
【００４９】
加えて、濃縮塔１の棚段塔部１ｂ（或いは充填塔部）には所定の段にチューブバンドル型熱交換器８が差し込まれている。チューブバンドル型熱交換器８のＵ形チューブにおける平行なチューブ部分は、凝縮した液を一度溜め、また上昇蒸気を整流するための液溜め用トレイ９に沿って配されている。該平行なチューブ部分のうち下側のチューブ部分８ａは、回収塔２の液抜き部２ｄに接続された配管２４と繋がっている。そして上側のチューブ部分８ｂは、液抜き部２ｄの直ぐ下の段に挿入されている配管２５と繋がっている。
【００５０】
ここで、チューブバンドル型熱交換器８の作用について説明する。
【００５１】
本装置では回収塔２の塔頂部２ｃから出た蒸気はコンプレッサー４にて昇圧および昇温されて濃縮塔１の塔底部１ａに供給される。この昇温された蒸気１３（図３参照）は棚段塔部１ｂに導入されて上昇し、チューブバンドル型熱交換器８のＵチューブと接触する。このとき、熱交換器８の下側のチューブ部分８ａには回収塔２の任意の段における液が配管２４により導入されているため、このチューブ部分８ａ内の液が蒸気１３の熱で加熱されるとともに、チューブ部分８ａに接触した蒸気１３の一部は液１４となって下へと落ちる。さらに、熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂも蒸気１３の熱で加熱されているので、配管２４から熱交換器８内に導入された液体は下側のチューブ部分８ａから上側のチューブ部分８ｂを移動するにつれて、液相と気相が混ざった流体に変わる。そして、この流体は塔外の配管２５を通って回収塔２の液抜き部２ｄの直ぐ下の段に導入される（図１参照）。このような流体の循環においては、本構成がサーモサイフォン方式となっているため、ポンプなどの圧送手段を特に必要としない。
【００５２】
つまり、回収塔２の液抜き部２ｄから濃縮塔１の熱交換器８の下側のチューブ部分８ａまでを配管２４で接続し、さらには、濃縮塔１の熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂから回収塔２の液抜き部２ｄの直ぐ下の段までを配管２５で接続しているため、回収塔２から濃縮塔１へ重力により液体が流れ、これによって上記の流体はポンプが無くても濃縮塔１から回収塔２へ押し流される。
【００５３】
以上のように本実施形態では、熱交換器８によって濃縮塔１内の蒸気の熱を奪い、この熱を配管２５によって濃縮塔１から回収塔２へ移動させることができる。本実施形態のように配管２４，２５および熱交換器８を用いた熱移動システムは、あたかも、濃縮塔１の任意の段にサイドコンデンサーが設置されると同時に回収塔２の任意の段にサイドリボイラーが設置されているかのような構成である。したがって、上記熱移動システムを備えない蒸留装置と比べて、濃縮塔１のコンデンサー７の除熱量が小さくでき、回収塔２のリボイラー３の入熱量も小さくでき、結果、エネルギー効率の極めて高い蒸留装置を提供することができる。
【００５４】
なお、図１では上記熱移動システムが１セットだけ示されているが、例えば全理論段数の１０〜３０％に相当するセット数の熱移動システムを設置することができる。勿論、熱移動システムの設置数、熱交換器や配管の配置位置は設計に応じて任意に決められている。
【００５５】
（第二の実施形態）
次に本発明の第二の実施形態を説明するが、第一の実施形態と同じ構成要素については同じ符号を使用して説明することにする。
【００５６】
図４は第二の実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図を示している。本実施形態の熱交換型蒸留装置は、濃縮塔１と、濃縮塔１よりも高い位置に配置された回収塔２と、を有している。濃縮塔１は、塔底部１ａと、棚段塔部（或いは充填塔部）１ｂと、塔頂部１ｃとから構成されている。回収塔２もまた、塔底部２ａと、棚段塔部（或いは充填塔部）２ｂと、塔頂部２ｃとから構成されている。棚段塔部或いは充填塔部の具体的構成は第一の実施形態と同様である。
【００５７】
本実施形態は、チューブバンドル型熱交換器８が回収塔２側に配置されている点が第一の実施形態と比べて異なっている。
【００５８】
本実施形態の回収塔２については、塔底部２ａと塔頂部２ｃに付属する構成（リボイラー３、配管２１，２２，２３，２７など）は図４に示すように第一の実施形態と同じであるが、棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）に関する構成が第一の実施形態と比べて変更されている。
【００５９】
棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）は所定の段に液溜め部２ｅを有している。液溜め部２ｅは、上から流下してきた液１０を液溜め用棚板１５上に所定量貯留し、液溜め用棚板１５から溢れた液は下へ落とせるようになっている。液溜め部２ｅに貯留された液の中にチューブバンドル型熱交換器８のＵチューブが浸漬されるように、液溜め部２ｅ内にチューブバンドル型熱交換器８が差し込まれている（図５参照）。チューブバンドル型熱交換器８のＵ形チューブにおける平行なチューブ部分８ａ，８ｂは、液溜め用棚板１５に沿って配されている。
【００６０】
該平行なチューブ部分のうち上側のチューブ部分８ｂには、濃縮塔１から回収塔２へ流体を送る配管２９（図４参照）が接続されている。下側のチューブ部分８ａには、回収塔２から濃縮塔１へ流体を送る配管３０（図４参照）が接続されている。
【００６１】
ここで、液溜め部２ｅでの熱交換器８の作用について説明する。
【００６２】
本装置では回収塔２の塔頂部２ｃから棚段或いは充填層を通って原料液が流下してくる。この液１０（図５参照）は、任意の段に設けられた液溜め用棚板１５上の液溜め部２ｅに溜まる。液溜め部２ｅ内にはチューブバンドル型熱交換器８のＵ形チューブが配置されているため、該Ｕ形チューブは液１０の中に浸漬されることとなる。この状態において熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂに濃縮塔１内の高温蒸気が配管２９によって導入されたとき、高温蒸気が移動するチューブ部分８ｂ，８ａの外壁と接している液１０の一部は加熱され蒸気１８になって上昇する（図５参照）。また配管２９から熱交換器８に導入された高温蒸気は、上側のチューブ部分８ｂから下側のチューブ部分８ａを移動するにつれて、液相と気相が混ざった流体に変わる。この流体は塔外の配管３０を通り、後述するような濃縮塔１の仕切板１６上の段に導入される（図４参照）。仕切板１６上は仕切板１６下よりも低い操作圧力に設定されており、この圧力差により流体の循環が行われる。このような流体の循環においては、本構成は第一の実施形態と同じようにポンプなどの圧送手段を特に必要としない。
【００６３】
つまり、濃縮塔１における所定の段から回収塔２における熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂまでを配管２９で接続し、回収塔２における熱交換器８の下側のチューブ部分８ａから濃縮塔１における前記所定の段までを配管３０で接続しているため、仕切板１６上下の圧力差により、濃縮塔１内の高圧蒸気は回収塔２における熱交換器８に向かって配管２９を上昇し、これによって、熱交換器８内で蒸気から変移した液が回収塔２から塔外の配管３０に押し出され、濃縮塔１へ重力により流れる。したがって、ポンプなどの圧送手段は不要である。
【００６４】
さらに本実施形態の濃縮塔１を説明する。
【００６５】
濃縮塔１についても、塔底部１ａと塔頂部１ｃに付属する構成（コンデンサー７、配管２３，２６，２８など）は図４に示すように第一の実施形態と同じであるが、棚段塔部１ｂ（或いは充填塔部）に関する構成が第一の実施形態と比べて変更されている。具体的には、濃縮塔１の棚段塔部１ｂ（或いは充填塔部）は途中の位置で仕切板１６により上下の段が完全に仕切られている。仕切板１６の直ぐ下の段は配管２９と連通しており、この段での上昇蒸気は、鉛直方向に延びる配管２９によって、回収塔２の液溜め部２ｅに配置された熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂに送られる。
【００６６】
仕切板１６の上側の段には、回収塔２側からの配管３０が濃縮塔１の外壁を貫通して挿入されている。この配管３０から仕切板１６の上側の段に、蒸気と液が混ざった流体が導入され、蒸気は上昇し、液は下へ落ちて仕切板１６上に溜まる。その上昇蒸気は塔頂部１ｃに移動すると、配管２８を通って凝縮器７で冷却される。結果、揮発性の高い成分に富んだ留出液が得られる。
【００６７】
また仕切板１６を挟んで上下に位置する二つ段は、制御弁１７を備えた配管３１により連絡可能となっている。仕切板１６上に溜まった液は、制御弁１７の開放操作により、仕切板１６の下方の段へ適時送られる。
【００６８】
以上のように本実施形態では、配管２９によって濃縮塔１内の蒸気を塔外に抜き出し、その蒸気を回収塔２内の熱交換器８に導入することで、濃縮塔１内の熱を奪い回収塔２内に移動させることができる。本実施形態のように配管２９，３０および熱交換器８を用いた熱移動システムは、あたかも、濃縮塔１の任意の段にサイドコンデンサーが設置されると同時に回収塔２の任意の段にサイドリボイラーが設置されているかのような構成である。したがって、上記熱移動システムを備えない蒸留装置と比べて、濃縮塔１のコンデンサー７の除熱量が小さくでき、回収塔２のリボイラー３の入熱量も小さくでき、結果、エネルギー効率の極めて高い蒸留装置を提供することができる。
【００６９】
なお、図４では上記熱移動システムが１セットだけ示されているが、本実施形態の場合も第一の実施形態のように、熱移動システムの設置数、熱交換器や配管の配置位置は設計に応じて任意に決められている。
【００７０】
以上、第一および第二の実施形態として例示された本発明の熱交換型蒸留装置は、普通の蒸留装置と同じような棚段塔部或いは充填塔部を用いて構成されているため、サイドカットやマルチフィードの実施において装置を特別に改良することなく対応することが可能で、また装置のメンテナンスも容易に可能である。また同様の理由から、濃縮塔や回収塔の段数の設定には自由度があるため、原料供給段の最適化も行うことが可能となる。すなわち、特許文献１に代表される二重管構造を用いた熱交換型蒸留装置の課題として挙げた前記１）〜５）が本発明によって解決される。
【００７１】
また本発明の実施形態では、濃縮塔１から回収塔２へ熱移動を行わせる熱移動システムの構成要素としてチューブバンドル型熱交換器８を用いるため、この熱交換器８のチューブ設計によって伝熱面積Ａが自由に変えられる。したがって、濃縮塔１と回収塔２の間での熱交換量の決定に関して、濃縮塔１と回収塔２の間の温度差ΔＴだけでなく、伝熱面積Ａも設計上の自由度とすることが出来る。この事により、前記二重管構造を用いた熱交換型蒸留装置の課題６）が本発明によって解決されている。
【００７２】
以上のように本発明の好ましい実施形態について幾つかの実施形態を例示して説明したが、本願発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能であることは言うまでもない。
【００７３】
第一および第二の実施形態では熱交換器が蒸留塔内に組み込まれた形態を示したが、本発明はこの形態に限定されない。本発明では、回収塔のある部分の流体と濃縮塔のある部分の流体との熱交換が実施できればよいので、熱交換器が蒸留塔外部に設置されてもよい。また、熱交換器の形状についても、上記の実施形態では熱交換器を蒸留塔内に組み込む場合の一般的な例として、Ｕチューブのチューブバンドル型熱交換器を示したに過ぎず、その他の形状の熱交換器を使用してもよい。
【００７４】
また上記の各実施形態では、濃縮塔１と回収塔２が鉛直方向上下に連結された形態を示したが、本発明はこの形態にも限定されない。すなわち本発明は、濃縮塔１と回収塔２が別個独立の構成で、回収塔２が濃縮塔１より高い位置に配置される形態を含むものである。
【符号の説明】
【００７５】
１ 濃縮塔
１ａ 塔底部
１ｂ 棚段塔部（或いは充填塔部）
１ｃ 塔頂部
２ 回収塔
２ａ 塔底部
２ｂ 棚段塔部（或いは充填塔部）
２ｃ 塔頂部
２ｄ 液抜き部
２ｅ 液溜め部
３ 加熱器（リボイラー）
４ コンプレッサー
５ 棚板
６ 圧送手段
７ 凝縮器（コンデンサー）
８ チューブバンドル型熱交換器
５、１５ 液溜め用棚板
９ 液溜め用トレイ
１０、１２、１４ 液
１１、１３、１８ 蒸気（ベーパー）
１６ 仕切板
１７ 制御弁
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１ 配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多くの工業プロセスで広く適用される蒸留操作を実施するための蒸留装置であって、特に熱交換型蒸留装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸留分離操作は、工業プロセス全般で広く適用されているが、消費エネルギーが非常に大きい単位操作でもある。そのため産業界では消費エネルギーを低減できる蒸留装置の研究がなされてきた。こうした研究において、少エネルギー性に優れた蒸留装置として内部熱交換型蒸留塔（Heat Integrated Distillation Column、以下、HIDiC と称す。）の開発が行われている。
【０００３】
このHIDiCの基本的なシステムは図６に示すように、濃縮部（高圧部）と回収部（低圧部）を分離して並べた構造を有している。そして、濃縮部の操作温度が回収部の操作温度よりも高くなるように、濃縮部の操作圧力を回収部の操作圧力よりも高くする。このことによって、両者間に熱交換面があれば濃縮部から回収部に熱移動が生じるため、リボイラーにおける入熱量を小さくできる。また濃縮部の熱は回収部へ移動するため、コンデンサーにおける除熱量も小さくできる。したがって、エネルギー効率が極めて高い蒸留装置となる。
【０００４】
このようなHIDiCを実用化するために、特許文献１に示すような二重管構造を有する蒸留装置が提案されている。
【０００５】
この蒸留装置は、図７に示すように、本体胴５１と、本体胴５１内に挿入された複数のチューブユニット５２とを備え、各チューブユニット５２を上側チューブシート５３ａ及び下側チューブシート５３ｂによって本体胴５１と連結させることにより形成されている。
【０００６】
各チューブユニット５２は二重管構造を有しており、チューブユニット５２の内管５４が濃縮部、内管５４の外側面を囲む外管５が回収部として利用される。内管５４の内部と外管５５と内管５４の間には充填物（規則充填物）５４ａ，５５ａが充填されている。チューブユニット５２については図８も参照されたい。また複数のチューブユニット５２は外管５５の外壁６５どうしが互いに接触するように配設されている。
【０００７】
再び図７を参照すると、本体胴５１の上部には、外管（回収部）５５に原料液を供給するための回収部液入口５６と、外管５５からの蒸気を抜き出す回収部蒸気出口５７とが配設されている。
【０００８】
上側チューブシート５３ａより上側に、内管（濃縮部）５４のみと連通するチャンネル５８ａが形成されている。外管５５の上端面は上側チューブシート５３ａから離れて開放されている。
【０００９】
上側チャンネル５８ａには、内管５４に液（還流液）を供給するための濃縮部液入口５９と、内管５４からの蒸気を抜き出す濃縮部蒸気出口６０とが配設されている。
【００１０】
本体胴５１の下部には、外管５５に蒸気を供給するための回収部蒸気入口６１と、外管５５からの液を抜き出す回収部液出口６２とが配設されている。
【００１１】
下側チューブシート５３ｂより下側に、内管５４のみと連通するチャンネル５８ｂが形成されている。外管５５の下端面は下側チューブシート５３ｂから離れて開放されている。
【００１２】
下側チャンネル５８ｂには、内管５４に蒸気を供給するための濃縮部蒸気入口６３と、内管５４からの液を抜き出す濃縮部液出口６４とが配設されている。
【００１３】
上記の蒸留装置では、原料液が回収部液入口５６から供給され、それぞれのチューブユニット５２の外管５５の上面に均一に分散される。各外管５５の上端面に供給された原料液のうちの、外管５５を鉛直方向下側に蒸留されながら流下できた液は、回収部液出口６２から塔外のリボイラーに流れて加熱される。リボイラーの加熱で生じた蒸気は回収部蒸気入口６１から再び塔内に入る。回収部蒸気入口６１からの蒸気は各チューブユニット５２の外管５５の下面に分配され、各外管５５を鉛直方向上側に向かう。気化せずに残った液は缶出製品として払出される。
【００１４】
外管５５を鉛直方向上側に蒸留されながら上昇できた蒸気は回収部蒸気出口５７からコンプレッサーに向かう。コンプレッサーを経た蒸気は濃縮部蒸気入口６３から入る。濃縮部蒸気入口６３からの蒸気は各内管５４の下面から鉛直方向上側に向かう。内管５４を鉛直方向上側に蒸留されながら上昇した蒸気は各内管５４の上面を出て、濃縮部蒸気出口６０から塔外のコンデンサーに向かう。濃縮部から出た蒸気はコンデンサーにて、全凝縮、或いは部分凝縮し、必要な場合、一部は還流として内管５４へ濃縮部液入口５９を介して供給され、残りは留出製品として払出される。
【００１５】
こうした構成は濃縮部（内管５４）から回収部（外管５５）へ熱移動が生じるため、リボイラーにおける入熱量とコンデンサーにおける除熱量を小さくでき、エネルギー効率が極めて高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００４−１６９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１に開示されるように濃縮部と回収部が二重管構造で構築された熱交換型蒸留装置は、次の１）〜６）のような課題がある。
【００１８】
１）製品のサイドカットを行なうことが出来ない。サイドカットとは、最終の留出製品を得るまでの蒸留プロセスの途中のものを中間留分製品として抽出することをいう。
【００１９】
特許文献１記載の蒸留装置では二重管構造のチューブユニット群が互いに接するように配置されている。その上、外管および内管には規則充填物が充填されている。このため、各チューブユニットの内管から中間留分製品を取り出せるように配管を形成することが出来ず、結果、サイドカットが出来ない。
【００２０】
２）原料供給段（フィード段）の最適化を行うことが出来ない。二重管構造で構築された濃縮部と回収部ではそれぞれの充填高が同じになってしまい、濃縮部と回収部の段数を自由に設定できないからである。
【００２１】
３）供給する原料に応じて供給位置を変えられない。上記２）で述べたようにフィード段位置を自由に設定できない構造だからである。
【００２２】
４）マルチフィード（複数の原料ストリームの受け入れ）に対応できない。上記１）で述べたように二重管の途中に原料を供給することができない構造だからである。
【００２３】
５）装置のメンテナンスが困難である。上記１）で述べたように規則充填物を用いたチューブユニットが互いに隣接して密集している為、所望のチューブユニットへ完全にアクセスすることが出来ず、それらのメンテナンスを行うことが出来ない。
【００２４】
６）二重管を用いた濃縮部と回収部の間の熱交換量は、伝熱面積に対して設計上の自由度がなく蒸留塔の温度分布のみに依存しており、装置設計において熱交換量の設計上の自由度が小さい。
【００２５】
濃縮部と回収部の間での熱交換量Ｑは、総括伝熱係数をＵとし、伝熱面積をＡとし、濃縮部と回収部の間の温度差をΔＴとすると、Ｑ＝Ｕ×Ａ×ΔＴ で表される。二重管構造を用いたHIDiCでは内管壁面が伝熱面積となる。この伝熱面積は二重管の形で決まる固定値である。また総括伝熱係数についても、伝熱構造および熱交換を行う流体物性により決まる固定値である。そのため、上記の熱交換量算出式から分かるように、設計時の熱交換量は、濃縮部と回収部の操作圧力によって変化する、濃縮部と回収部の間の温度差によって変更できるだけである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、上記のような課題を解決することができる熱交換型蒸留装置を提供することにある。
【００２７】
本発明の熱交換型蒸留装置は、濃縮部として利用される塔体であり棚段塔部或いは充填塔部を有する濃縮塔と、濃縮塔よりも高い位置に配置され、回収部として利用される塔体であり棚段塔部或いは充填塔部を有する回収塔と、回収塔の塔頂部と濃縮塔の塔底部を連通させる第一の配管と、第一の配管の途中に設置され、回収塔の塔頂部からの蒸気を圧縮して濃縮塔の塔底部に送るコンプレッサーと、を備える
このような態様に加えて、本発明の一例は、濃縮塔の所定の段に配置された熱交換器と、回収塔の所定の段に配置され、該所定の段から一部の液を塔外部へ抜き出す液抜き部と、液抜き部からの液を熱交換器へ導入する第二の配管と、該第二の配管を経由して熱交換器へ導入された後に該熱交換器より流出する流体を液抜き部の直下の段へ導入する第三の配管と、をさらに備えている。
【００２８】
この態様例では、第二の配管によって回収塔から濃縮塔の熱交換器へ液体が流れ、この熱交換器によって濃縮塔内の蒸気の熱を奪い、この熱を第三の配管によって濃縮塔から回収塔へ移動させることができる。また、回収塔から濃縮塔へ重力により液体が流れ、これによって、熱交換器内の流体は濃縮塔から回収塔へ押し流される。すなわち本態様の構成はサーモサイフォン方式となっているため、濃縮塔から鉛直方向上側の回収塔への液送においてポンプなどの圧送手段を必要としない。
【００２９】
また、上記一例に替わる別の例は、回収塔の所定の段に設けられ、上から流下してきた液を溜める液溜め部と、回収塔の液溜め部内に配置された熱交換器と、濃縮塔の所定の位置に設けられた、上下の段を完全に仕切る仕切板と、仕切板の下側の段の蒸気を熱交換器へ導入する第二の配管と、該第二の配管を経由して熱交換器へ導入された後に該熱交換器より流出する流体を仕切板の上側の段へ導入する第三の配管と、を備えている。
【００３０】
この代替例では、第二の配管によって濃縮塔内の蒸気を塔外に抜き出し、その蒸気を回収塔内の熱交換器に導入して、濃縮塔の熱を回収塔に移動させることができる。また、濃縮塔内の高圧蒸気は回収塔における熱交換器に向かって第二の配管を上昇し、これによって、熱交換器内で蒸気から変移した液が回収塔から塔外の第三の配管に押し出され、濃縮塔へ重力により流れる。したがって、本態様の構成においてもポンプなどの圧送手段は不要である。
【００３１】
また上記の一例や代替例のように第二及び第三の配管並びに熱交換器を用いて濃縮塔から回収塔へ熱移動を行う装置構成は、このような熱移動の構成を備えない蒸留装置と比べて、濃縮塔の塔頂部に取り付けられるコンデンサーの除熱量が小さくでき、また、回収塔の塔底部に取り付けられるリボイラーの入熱量も小さくできる。結果、エネルギー効率の極めて高い蒸留装置を提供することができる。
【００３２】
また、濃縮塔や回収塔が普通の蒸留装置と同じ棚段塔部或いは充填塔部を用いて構成されるものなので、サイドカットやマルチフィードの実施において装置を特別に改良することなく対応することが可能で、また装置のメンテナンスも容易に可能である。また同様の理由から、濃縮塔や回収塔の段数の設定には自由度があり、原料供給段の最適化も行える。
【００３３】
さらに、伝熱面積が設計の自由度となるので、塔内温度差に依存しないで熱交換量を決定できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、エネルギー効率が優れ、サイドカットの実施やフィード段位置の設定に対して容易に対応することができ、装置のメンテナンスも容易になる。
【００３５】
また、本発明の装置は設計の自由度が増した装置構造となるため、ユーザー側に受け入れられやすい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第一の実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図。
【図２】図１の液抜き部の構成図。
【図３】図１の濃縮塔内に配置されたチューブバンドル型熱交換器の周辺構成を示す図。
【図４】本発明の第二の実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図。
【図５】図４の回収塔内に配置されたチューブバンドル型熱交換器の周辺構成を示す図。
【図６】ＨＩＤｉＣの基本的な構造を示す図。
【図７】特許文献１に記載の、二重管構造を用いた熱交換型蒸留塔を示す図。
【図８】図７の蒸留塔における二重管構造を示す水平断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
内部熱交換型ではない普通の蒸留装置は、鉛直方向に建てられる塔であって塔底部と棚段塔部（或いは充填塔部）と塔頂部とで構成された塔からなり、棚段塔部（或いは充填塔部）は原料供給位置を境に上側が濃縮部（高圧部）、下側が回収部（低圧部）となっている。これに対し、本発明の熱交換型蒸留装置は、上記のような回収部と濃縮部を分離して、鉛直方向に延びる回収部として利用される塔体（回収塔）と、鉛直方向に延びる濃縮部として利用される塔体（濃縮塔）とを設け、回収塔を濃縮塔よりも高い位置に配置した点を基本的特徴とする。以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３８】
（第一の実施形態）
図１は第一の実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図を示している。本実施形態の熱交換型蒸留装置は、濃縮塔１と、濃縮塔１よりも高い位置に配置された回収塔２と、を有している。濃縮塔１は、塔底部１ａと、棚段塔部（或いは充填塔部）１ｂと、塔頂部１ｃとから構成されている。回収塔２もまた、塔底部２ａと、棚段塔部（或いは充填塔部）２ｂと、塔頂部２ｃとから構成されている。
【００３９】
棚段塔部１ｂ，２ｂは塔内に水平な棚板（トレイ）をいくつも設置したタイプの塔である。それぞれの棚板間の空間を段という。各段では気液接触が促進され物質移動が行われる結果、より揮発性の高い成分に富むことになった気相は上の段に送られ、より揮発性の低い成分に富むことになった液相は下の段へ流れ落ち、そこでまた新たな液相、或いは気相と気液接触を行い物質移動が行われる。このようにして塔の上部の段ほど揮発性の高い成分に富み、下部の段ほど揮発性の低い成分に富むことになり、蒸留操作が行われる。
【００４０】
棚段塔部に置換可能な充填塔部は中空の塔内に何らかの充填物を入れ、その表面で気液接触を行わせるタイプの塔である。棚段塔部と同じ機構により塔の上部ほど揮発性の高い成分に富み、下部ほど揮発性の低い成分に富むことになり、蒸留操作が行われる。
【００４１】
図１では棚段塔部１ｂ，２ｂ（或いは充填塔部）の内部が空白に描かれているが、実際は上記のような構造が採られている。
【００４２】
さらに濃縮塔１および回収塔２の各々について個別に詳述する。まずは、回収塔２を説明する。
【００４３】
回収塔２の塔底部２ａの外側には、リボイラーと呼ばれる加熱器３が配設されており、配管２１が塔底部２ａの空間下部から加熱器３を介して塔底部２ａの空間上部へ設けられている。したがって、回収塔２の棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）を流下した液は塔底部２ａに溜まり、この液の一部は加熱器３で加熱されて蒸気になって塔底部２ａに戻る。また、塔底部２ａの最底から、揮発性の低い成分に富んだ缶出液が配管２２を通して得られる。
【００４４】
回収塔２の塔頂部２ｃは原料を供給する位置となっている。塔頂部２ｃはコンプレッサー４を介して濃縮塔１の塔底部１ａに、配管２３を用いて接続されている。本実施形態では原料供給位置を回収塔２の塔頂部２ｃとしたが、原料供給位置は棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）の任意の段であってもよい。また、原料が複数存在する場合でも、原料供給位置は回収塔２の塔頂部２ｃと、それ以外の任意の段（濃縮塔１の段も含む）とすることも可能である。
【００４５】
加えて、回収塔２の棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）は所定の段に液抜き部２ｄを有している。液抜き部２ｄは、図２に示すように、回収塔２の上部から流下してきた液１０を液溜め用棚板５に溜め、液１０の一部を回収塔２の外部へ抜き出す。液抜き部２ｄには、液１０の一部を濃縮塔１へ向かわせる配管２４が接続されている。また、液抜き部２ｄの直ぐ下の段には、濃縮塔１側からの配管２５が回収塔２の外壁を貫通して挿入されている。液抜き部２ｄの直ぐ下の段に挿入された配管２５からは、後述するように蒸気１１と液１２が混ざった流体が導入され、蒸気１１は上昇し、液１２は下へ落ちる。
【００４６】
さらに濃縮塔１を説明する。
【００４７】
濃縮塔１の塔底部１ａの最底には配管２６の一端が接続されており、この配管２６の他端は、回収塔２の塔頂部２ｃへ原料を供給する配管２７と接続されている。濃縮塔１の塔底部１ａに溜まった液を、濃縮塔１よりも高い位置に位置する回収塔２の塔頂部２ｃに還流するため、配管２６の途中には送出ポンプ６が必要となる。
【００４８】
濃縮塔１の塔頂部１ｃの外側には、コンデンサーと呼ばれる凝縮器７が配設されており、配管２８が塔頂部１ｃの空間上部から凝縮器７へ設けられている。したがって、濃縮塔１の塔頂部１ｃに移動してきた蒸気は凝縮器７で冷却されて液体になり、揮発性の高い成分に富んだ留出液が得られる。また、その液体の一部は必要に応じて塔頂部１ｃに還流される。
【００４９】
加えて、濃縮塔１の棚段塔部１ｂ（或いは充填塔部）には所定の段にチューブバンドル型熱交換器８が差し込まれている。チューブバンドル型熱交換器８のＵ形チューブにおける平行なチューブ部分は、凝縮した液を一度溜め、また上昇蒸気を整流するための液溜め用トレイ９に沿って配されている。該平行なチューブ部分のうち下側のチューブ部分８ａは、回収塔２の液抜き部２ｄに接続された配管２４と繋がっている。そして上側のチューブ部分８ｂは、液抜き部２ｄの直ぐ下の段に挿入されている配管２５と繋がっている。
【００５０】
ここで、チューブバンドル型熱交換器８の作用について説明する。
【００５１】
本装置では回収塔２の塔頂部２ｃから出た蒸気はコンプレッサー４にて昇圧および昇温されて濃縮塔１の塔底部１ａに供給される。この昇温された蒸気１３（図３参照）は棚段塔部１ｂに導入されて上昇し、チューブバンドル型熱交換器８のＵチューブと接触する。このとき、熱交換器８の下側のチューブ部分８ａには回収塔２の任意の段における液が配管２４により導入されているため、このチューブ部分８ａ内の液が蒸気１３の熱で加熱されるとともに、チューブ部分８ａに接触した蒸気１３の一部は液１４となって下へと落ちる。さらに、熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂも蒸気１３の熱で加熱されているので、配管２４から熱交換器８内に導入された液体は下側のチューブ部分８ａから上側のチューブ部分８ｂを移動するにつれて、液相と気相が混ざった流体に変わる。そして、この流体は塔外の配管２５を通って回収塔２の液抜き部２ｄの直ぐ下の段に導入される（図１参照）。このような流体の循環においては、本構成がサーモサイフォン方式となっているため、ポンプなどの圧送手段を特に必要としない。
【００５２】
つまり、回収塔２の液抜き部２ｄから濃縮塔１の熱交換器８の下側のチューブ部分８ａまでを配管２４で接続し、さらには、濃縮塔１の熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂから回収塔２の液抜き部２ｄの直ぐ下の段までを配管２５で接続しているため、回収塔２から濃縮塔１へ重力により液体が流れ、これによって上記の流体はポンプが無くても濃縮塔１から回収塔２へ押し流される。
【００５３】
以上のように本実施形態では、熱交換器８によって濃縮塔１内の蒸気の熱を奪い、この熱を配管２５によって濃縮塔１から回収塔２へ移動させることができる。本実施形態のように配管２４，２５および熱交換器８を用いた熱移動システムは、あたかも、濃縮塔１の任意の段にサイドコンデンサーが設置されると同時に回収塔２の任意の段にサイドリボイラーが設置されているかのような構成である。したがって、上記熱移動システムを備えない蒸留装置と比べて、濃縮塔１のコンデンサー７の除熱量が小さくでき、回収塔２のリボイラー３の入熱量も小さくでき、結果、エネルギー効率の極めて高い蒸留装置を提供することができる。
【００５４】
なお、図１では上記熱移動システムが１セットだけ示されているが、例えば全理論段数の１０〜３０％に相当するセット数の熱移動システムを設置することができる。勿論、熱移動システムの設置数、熱交換器や配管の配置位置は設計に応じて任意に決められている。
【００５５】
（第二の実施形態）
次に本発明の第二の実施形態を説明するが、第一の実施形態と同じ構成要素については同じ符号を使用して説明することにする。
【００５６】
図４は第二の実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図を示している。本実施形態の熱交換型蒸留装置は、濃縮塔１と、濃縮塔１よりも高い位置に配置された回収塔２と、を有している。濃縮塔１は、塔底部１ａと、棚段塔部（或いは充填塔部）１ｂと、塔頂部１ｃとから構成されている。回収塔２もまた、塔底部２ａと、棚段塔部（或いは充填塔部）２ｂと、塔頂部２ｃとから構成されている。棚段塔部或いは充填塔部の具体的構成は第一の実施形態と同様である。
【００５７】
本実施形態は、チューブバンドル型熱交換器８が回収塔２側に配置されている点が第一の実施形態と比べて異なっている。
【００５８】
本実施形態の回収塔２については、塔底部２ａと塔頂部２ｃに付属する構成（リボイラー３、配管２１，２２，２３，２７など）は図４に示すように第一の実施形態と同じであるが、棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）に関する構成が第一の実施形態と比べて変更されている。
【００５９】
棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）は所定の段に液溜め部２ｅを有している。液溜め部２ｅは、上から流下してきた液１０を液溜め用棚板１５上に所定量貯留し、液溜め用棚板１５から溢れた液は下へ落とせるようになっている。液溜め部２ｅに貯留された液の中にチューブバンドル型熱交換器８のＵチューブが浸漬されるように、液溜め部２ｅ内にチューブバンドル型熱交換器８が差し込まれている（図５参照）。チューブバンドル型熱交換器８のＵ形チューブにおける平行なチューブ部分８ａ，８ｂは、液溜め用棚板１５に沿って配されている。
【００６０】
該平行なチューブ部分のうち上側のチューブ部分８ｂには、濃縮塔１から回収塔２へ流体を送る配管２９（図４参照）が接続されている。下側のチューブ部分８ａには、回収塔２から濃縮塔１へ流体を送る配管３０（図４参照）が接続されている。
【００６１】
ここで、液溜め部２ｅでの熱交換器８の作用について説明する。
【００６２】
本装置では回収塔２の塔頂部２ｃから棚段或いは充填層を通って原料液が流下してくる。この液１０（図５参照）は、任意の段に設けられた液溜め用棚板１５上の液溜め部２ｅに溜まる。液溜め部２ｅ内にはチューブバンドル型熱交換器８のＵ形チューブが配置されているため、該Ｕ形チューブは液１０の中に浸漬されることとなる。この状態において熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂに濃縮塔１内の高温蒸気が配管２９によって導入されたとき、高温蒸気が移動するチューブ部分８ｂ，８ａの外壁と接している液１０の一部は加熱され蒸気１８になって上昇する（図５参照）。また配管２９から熱交換器８に導入された高温蒸気は、上側のチューブ部分８ｂから下側のチューブ部分８ａを移動するにつれて、液相と気相が混ざった流体に変わる。この流体は塔外の配管３０を通り、後述するような濃縮塔１の仕切板１６上の段に導入される（図４参照）。仕切板１６上は仕切板１６下よりも低い操作圧力に設定されており、この圧力差により流体の循環が行われる。このような流体の循環においては、本構成は第一の実施形態と同じようにポンプなどの圧送手段を特に必要としない。
【００６３】
つまり、濃縮塔１における所定の段から回収塔２における熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂまでを配管２９で接続し、回収塔２における熱交換器８の下側のチューブ部分８ａから濃縮塔１における前記所定の段までを配管３０で接続しているため、仕切板１６上下の圧力差により、濃縮塔１内の高圧蒸気は回収塔２における熱交換器８に向かって配管２９を上昇し、これによって、熱交換器８内で蒸気から変移した液が回収塔２から塔外の配管３０に押し出され、濃縮塔１へ重力により流れる。したがって、ポンプなどの圧送手段は不要である。
【００６４】
さらに本実施形態の濃縮塔１を説明する。
【００６５】
濃縮塔１についても、塔底部１ａと塔頂部１ｃに付属する構成（コンデンサー７、配管２３，２６，２８など）は図４に示すように第一の実施形態と同じであるが、棚段塔部１ｂ（或いは充填塔部）に関する構成が第一の実施形態と比べて変更されている。具体的には、濃縮塔１の棚段塔部１ｂ（或いは充填塔部）は途中の位置で仕切板１６により上下の段が完全に仕切られている。仕切板１６の直ぐ下の段は配管２９と連通しており、この段での上昇蒸気は、鉛直方向に延びる配管２９によって、回収塔２の液溜め部２ｅに配置された熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂに送られる。
【００６６】
仕切板１６の上側の段には、回収塔２側からの配管３０が濃縮塔１の外壁を貫通して挿入されている。この配管３０から仕切板１６の上側の段に、蒸気と液が混ざった流体が導入され、蒸気は上昇し、液は下へ落ちて仕切板１６上に溜まる。その上昇蒸気は塔頂部１ｃに移動すると、配管２８を通って凝縮器７で冷却される。結果、揮発性の高い成分に富んだ留出液が得られる。
【００６７】
また仕切板１６を挟んで上下に位置する二つ段は、制御弁１７を備えた配管３１により連絡可能となっている。仕切板１６上に溜まった液は、制御弁１７の開放操作により、仕切板１６の下方の段へ適時送られる。
【００６８】
以上のように本実施形態では、配管２９によって濃縮塔１内の蒸気を塔外に抜き出し、その蒸気を回収塔２内の熱交換器８に導入することで、濃縮塔１内の熱を奪い回収塔２内に移動させることができる。本実施形態のように配管２９，３０および熱交換器８を用いた熱移動システムは、あたかも、濃縮塔１の任意の段にサイドコンデンサーが設置されると同時に回収塔２の任意の段にサイドリボイラーが設置されているかのような構成である。したがって、上記熱移動システムを備えない蒸留装置と比べて、濃縮塔１のコンデンサー７の除熱量が小さくでき、回収塔２のリボイラー３の入熱量も小さくでき、結果、エネルギー効率の極めて高い蒸留装置を提供することができる。
【００６９】
なお、図４では上記熱移動システムが１セットだけ示されているが、本実施形態の場合も第一の実施形態のように、熱移動システムの設置数、熱交換器や配管の配置位置は設計に応じて任意に決められている。
【００７０】
以上、第一および第二の実施形態として例示された本発明の熱交換型蒸留装置は、普通の蒸留装置と同じような棚段塔部或いは充填塔部を用いて構成されているため、サイドカットやマルチフィードの実施において装置を特別に改良することなく対応することが可能で、また装置のメンテナンスも容易に可能である。また同様の理由から、濃縮塔や回収塔の段数の設定には自由度があるため、原料供給段の最適化も行うことが可能となる。すなわち、特許文献１に代表される二重管構造を用いた熱交換型蒸留装置の課題として挙げた前記１）〜５）が本発明によって解決される。
【００７１】
また本発明の実施形態では、濃縮塔１から回収塔２へ熱移動を行わせる熱移動システムの構成要素としてチューブバンドル型熱交換器８を用いるため、この熱交換器８のチューブ設計によって伝熱面積Ａが自由に変えられる。したがって、濃縮塔１と回収塔２の間での熱交換量の決定に関して、濃縮塔１と回収塔２の間の温度差ΔＴだけでなく、伝熱面積Ａも設計上の自由度とすることが出来る。この事により、前記二重管構造を用いた熱交換型蒸留装置の課題６）が本発明によって解決されている。
【００７２】
以上のように本発明の好ましい実施形態について幾つかの実施形態を例示して説明したが、本願発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能であることは言うまでもない。
【００７３】
第一および第二の実施形態では熱交換器が蒸留塔内に組み込まれた形態を示したが、本発明はこの形態に限定されない。本発明では、回収塔のある部分の流体と濃縮塔のある部分の流体との熱交換が実施できればよいので、熱交換器が蒸留塔外部に設置されてもよい。また、熱交換器の形状についても、上記の実施形態では熱交換器を蒸留塔内に組み込む場合の一般的な例として、Ｕチューブのチューブバンドル型熱交換器を示したに過ぎず、その他の形状の熱交換器を使用してもよい。
【００７４】
また上記の各実施形態では、濃縮塔１と回収塔２が鉛直方向上下に連結された形態を示したが、本発明はこの形態にも限定されない。すなわち本発明は、濃縮塔１と回収塔２が別個独立の構成で、回収塔２が濃縮塔１より高い位置に配置される形態を含むものである。
【符号の説明】
【００７５】
１ 濃縮塔
１ａ 塔底部
１ｂ 棚段塔部（或いは充填塔部）
１ｃ 塔頂部
２ 回収塔
２ａ 塔底部
２ｂ 棚段塔部（或いは充填塔部）
２ｃ 塔頂部
２ｄ 液抜き部
２ｅ 液溜め部
３ 加熱器（リボイラー）
４ コンプレッサー
５ 棚板
６ 圧送手段
７ 凝縮器（コンデンサー）
８ チューブバンドル型熱交換器
５、１５ 液溜め用棚板
９ 液溜め用トレイ
１０、１２、１４ 液
１１、１３、１８ 蒸気（ベーパー）
１６ 仕切板
１７ 制御弁
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１ 配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
濃縮部として利用される棚段塔部或いは充填塔部を有する濃縮塔と、
前記濃縮塔よりも高い位置に配置され、回収部として利用される棚段塔部或いは充填塔部を有する回収塔と、
前記回収塔の塔頂部と前記濃縮塔の塔底部を連通させる第一の配管と、
前記第一の配管の途中に設置され、前記回収塔の塔頂部からの蒸気を圧縮して前記濃縮塔の塔底部に送るコンプレッサーと、
前記濃縮塔の所定の段に配置された熱交換器と、
前記回収塔の所定の段に配置され、該所定の段から一部の液を塔外部へ抜き出す液抜き部と、
前記液抜き部からの液を前記熱交換器へ導入する第二の配管と、
前記第二の配管を経由して前記熱交換器へ導入された後に該熱交換器より流出する流体を前記液抜き部の直下の段へ導入する第三の配管と、
を備えた熱交換型蒸留装置。
【請求項２】
濃縮部として利用される棚段塔部或いは充填塔部を有する濃縮塔と、
前記濃縮塔よりも高い位置に配置され、回収部として利用される棚段塔部或いは充填塔部を有する回収塔と、
前記回収塔の塔頂部と前記濃縮塔の塔底部を連通させる第一の配管と、
前記第一の配管の途中に設置され、前記回収塔の塔頂部からの蒸気を圧縮して前記濃縮塔の塔底部に送るコンプレッサーと、
前記回収塔の所定の段に設けられ、上から流下してきた液を溜める液溜め部と、
前記回収塔の前記液溜め部内に配置された熱交換器と、
前記濃縮塔の所定の位置に設けられた、上下の段を完全に仕切る仕切板と、
前記仕切板の下側の蒸気を前記熱交換器へ導入する第二の配管と、
前記第二の配管を経由して前記熱交換器へ導入された後に前記熱交換器より流出する流体を前記仕切板の上側へ導入する第三の配管と、
を備えた熱交換型蒸留装置。
【請求項３】
前記仕切板を挟んで上下に位置する空間を連通させる、制御弁を備えた配管をさらに備えた、請求項２に記載の熱交換型蒸留装置。
【請求項４】
前記回収塔の塔頂部に、及び／又は、前記棚段塔部或いは充填塔部の所定の段に原料を供給する原料供給配管をさらに備えた、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換型蒸留装置。
【請求項５】
前記濃縮塔の塔底部に溜まった液を前記原料供給配管へ圧送するためのポンプ及び配管をさらに備えた、請求項４に記載の熱交換型蒸留装置。
【請求項１】
濃縮部として利用される棚段塔部或いは充填塔部を有する濃縮塔と、
前記濃縮塔よりも高い位置に配置され、回収部として利用される棚段塔部或いは充填塔部を有する回収塔と、
前記回収塔の塔頂部と前記濃縮塔の塔底部を連通させる第一の配管と、
前記第一の配管の途中に設置され、前記回収塔の塔頂部からの蒸気を圧縮して前記濃縮塔の塔底部に送るコンプレッサーと、
前記濃縮塔の所定の段に配置された熱交換器と、
前記回収塔の所定の段に配置され、該所定の段から一部の液を塔外部へ抜き出す液抜き部と、
前記液抜き部からの液を前記熱交換器へ導入する第二の配管と、
前記第二の配管を経由して前記熱交換器へ導入された後に該熱交換器より流出する流体を前記液抜き部の直下の段へ導入する第三の配管と、
を備えた熱交換型蒸留装置。
【請求項２】
濃縮部として利用される棚段塔部或いは充填塔部を有する濃縮塔と、
前記濃縮塔よりも高い位置に配置され、回収部として利用される棚段塔部或いは充填塔部を有する回収塔と、
前記回収塔の塔頂部と前記濃縮塔の塔底部を連通させる第一の配管と、
前記第一の配管の途中に設置され、前記回収塔の塔頂部からの蒸気を圧縮して前記濃縮塔の塔底部に送るコンプレッサーと、
前記回収塔の所定の段に設けられ、上から流下してきた液を溜める液溜め部と、
前記回収塔の前記液溜め部内に配置された熱交換器と、
前記濃縮塔の所定の位置に設けられた、上下の段を完全に仕切る仕切板と、
前記仕切板の下側の蒸気を前記熱交換器へ導入する第二の配管と、
前記第二の配管を経由して前記熱交換器へ導入された後に前記熱交換器より流出する流体を前記仕切板の上側へ導入する第三の配管と、
を備えた熱交換型蒸留装置。
【請求項３】
前記仕切板を挟んで上下に位置する空間を連通させる、制御弁を備えた配管をさらに備えた、請求項２に記載の熱交換型蒸留装置。
【請求項４】
前記回収塔の塔頂部に、及び／又は、前記棚段塔部或いは充填塔部の所定の段に原料を供給する原料供給配管をさらに備えた、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換型蒸留装置。
【請求項５】
前記濃縮塔の塔底部に溜まった液を前記原料供給配管へ圧送するためのポンプ及び配管をさらに備えた、請求項４に記載の熱交換型蒸留装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−７８８７２（Ｐ２０１１−７８８７２Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３１４９０（Ｐ２００９−２３１４９０）
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００２２２１７４）東洋エンジニアリング株式会社 (69)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００２２２１７４）東洋エンジニアリング株式会社 (69)
【Ｆターム（参考）】
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