JP2001029701A - 内部熱交換型蒸留塔 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部還流を不要として、さらに省エネルギー
効果を向上させることが可能な内部熱交換型蒸留塔を提
供する。 【解決手段】 管２５を両端管板３ａ，３ｂによって本
体胴１と連結させることにより、本体胴１の内部におい
て、単管又は複数管２５の管内４と管外５が隔離された
構造とし、管内４側と管外５側の操作圧力に差をつける
ことにより操作温度を異ならせ、単管又は複数管の管壁
を伝熱面として、高圧側から低圧側に熱移動させること
により、高圧側が濃縮部４、低圧側が回収部５として機
能するように構成された内部熱交換型蒸留塔の、濃縮部
４の上部に、上昇蒸気を凝縮させて還流液を生成させる
領域（還流液生成領域）２０を設け、外部還流を不要に
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低圧塔と高圧塔を
備え、高圧塔（濃縮部）側から、低圧塔（回収部）側に
熱移動させることにより両者の間で熱交換を行う内部熱
交換型蒸留塔に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】省エネ
ルギー性に優れた蒸留塔として、低圧塔と高圧塔とを備
え、両者の間で熱交換を行うように構成され、他との熱
の授受を必要としない内部熱交換型の蒸留塔が知られて
いる。この内部熱交換型蒸留塔は、蒸留操作の省エネル
ギー化を進める見地からすれば、省エネルギーに最も忠
実な理論であることは、原理的にも当然であり、また、
学問上からも認められているところである。

【０００３】また、内部熱交換型蒸留塔として、複数管
（場合によっては単管）を両端管板によって本体胴と連
結させることにより、本体胴の内部において、複数管の
管内と管外が隔離された構造とし、管内及び管外のそれ
ぞれに気液の出入口を設け、管内側と管外側の操作圧力
に差をつけることにより操作温度を異ならせ、複数管の
管壁を伝熱面として、高圧側から低圧側に熱移動させる
ことにより、高圧側を濃縮部、低圧側を回収部として一
つの蒸留塔を構成するようにした構造が提案されている
（特許第２６９４４２５号）。なお、この内部熱交換型
蒸留塔は、図２(ａ)及び(ｂ)に示すような構造を有して
いる。

【０００４】すなわち、この内部熱交換型蒸留塔は、本
体胴１と、本体胴１内に挿入された複数管（管）２５を
両端管板（上側管板（塔頂側管板）３ａ及び下側管板
（塔底側管板）３ｂ）によって本体胴１と連結させるこ
とにより形成されている。そして、複数管２５の管内４
と管外５は互いに隔離された構造を有している。

【０００５】また、管内４及び管外５には、それぞれ充
填物が充填されている。そして、管内４が高圧側の濃縮
部、管外５が低圧側の回収部となっている（ただし、管
内４を低圧側の回収部、管外５を高圧側の濃縮部とする
ことも可能である）。

【０００６】また、本体胴１の上部には、管外（回収
部）５に液を供給するための回収部液入口６、管外（回
収部）５からの蒸気を抜き出す回収部蒸気出口７が配設
されており、塔頂側管板３ａより上側の、管内（濃縮
部）４と連通する端室１４ａには、管内（濃縮部）４に
液を供給するための濃縮部液入口８が配設され、また、
管内（濃縮部）４からの蒸気を抜き出す濃縮部蒸気出口
９が配設されている。

【０００７】一方、本体胴１の下部には、管外（回収
部）５に蒸気を供給するための回収部蒸気入口１０、管
外（回収部）５からの液を抜き出す回収部液出口１１が
配設されており、塔底側管板３ｂより下側の、管内（濃
縮部）４と連通する端室１４ｂには、管内（濃縮部）４
に蒸気を供給するための濃縮部蒸気入口１２が配設さ
れ、また、管内（濃縮部）４からの液を抜き出す濃縮部
液出口１３が配設されている。このようにして、複数管
２５の管壁を伝熱面とし、管内（高圧側）４を濃縮部、
管外（低圧側）５を回収部とする一つの蒸留塔（内部熱
交換型蒸留塔）が形成されている。

【０００８】ところで、蒸留という分離プロセスは、蒸
留塔の塔頂から塔内を流下する還流液と、塔底から塔内
を上昇する上昇蒸気とが、塔内で気液接触し、そこで、
物質移動が生じることにより成立する。したがって、蒸
留という分離プロセスには、塔頂からの還流液の存在が
絶対的な条件となる。

【０００９】また、従来の蒸留塔では、蒸留塔を出た蒸
気を凝縮器で凝縮させて生じさせた凝縮液を、還流液と
して蒸留塔に戻しており、いわゆる外部還流式となって
いるが、内部熱交換型蒸留塔では、濃縮部内において、
回収部との熱交換により自ら還流液を生成させる能力を
持っており、いわば、内部還流（自己還流）式であると
いうことができる。したがって、内部熱交換型蒸留塔に
おいては、還流液の相当部分が、内部還流によりまかな
われる。

【００１０】しかしながら、実際上は、内部熱交換型蒸
留塔においても、いくらかの外部還流は必要であるのが
実情であり、この外部還流分だけ省エネルギー効果が減
少する。すなわち、外部還流比が０のとき、省エネルギ
ー効果は最大となるが、現状では、内部熱交換型蒸留塔
においても、外部還流比を０にすることはできていな
い。

【００１１】本発明は、上述の背景に鑑みてなされたも
のであり、外部還流を不要として、さらに省エネルギー
効果を向上させることが可能な内部熱交換型蒸留塔を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明（請求項１）の内部熱交換型蒸留塔は、単管
又は複数管を両端管板によって本体胴と連結させること
により、本体胴の内部において、単管又は複数管の管内
と管外が隔離された構造とし、管内及び管外のそれぞれ
に気液の出入口を設け、管内側と管外側の操作圧力に差
をつけることにより操作温度を異ならせ、単管又は複数
管の管壁を伝熱面として、高圧側から低圧側に熱移動さ
せることにより、高圧側が濃縮部、低圧側が回収部とし
て機能するように構成された内部熱交換型蒸留塔であっ
て、濃縮部の上部に、上昇蒸気を凝縮させて還流液を生
成させる領域（還流液生成領域）を設けたことを特徴と
している。

【００１３】また、請求項２の内部熱交換型蒸留塔は、
前記単管又は複数管の管内が濃縮部であり、管外が回収
部であることを特徴としている。

【００１４】本発明の内部熱交換型蒸留塔のように、濃
縮部の上部に、上昇蒸気を凝縮させて還流液を生成させ
るべき領域（還流液生成領域）を設けることにより、外
部還流を必要とすることなく、所望の蒸留操作を行うた
めに必要な還流液量を確保することが可能になり、省エ
ネルギー効果をさらに向上させることが可能になる。す
なわち、外部の凝縮器により濃縮部からの蒸気を凝縮さ
せて還流液を生じさせることによるエネルギーのロスを
回避することが可能になるとともに、外部に別途凝縮器
を設ける必要がなくなるため、設備コストを削減するこ
とが可能になる。

【００１５】なお、濃縮部の上部に還流液生成領域を設
けるにあたっては、所望の蒸留操作に必要な濃縮部の高
さに、いくらかの余裕を持たせてその部分を還流液生成
領域とすることにより、特に設備の大型化や複雑化、あ
るいは設備コストの増大を招いたりすることを避けるこ
とができる。具体的には、この還流液生成領域の高さ
は、通常は０．５ｍ以内におさまるため、通常、１０ｍ
を越えるような高さとなる濃縮部の高さに大きな影響を
与えたりすることがなく、問題となるような設備コスト
の増大を招いたりすることもない。

【００１６】また、本発明の内部熱交換型蒸留塔におい
ては、還流液生成領域（濃縮部の塔頂に近い、ある高さ
の領域）は、専ら還流液が生成する領域として機能し、
還流液と上昇蒸気との接触による蒸留には寄与しない
が、還流液生成領域より下側の部分（濃縮部）には十分
な還流液が存在するため、所望の蒸留機能を果たすこと
になる。

【００１７】ところで、本発明の内部熱交換型蒸留塔で
は、基本構造として、いわゆるシェルアンドチューブ熱
交換器型の縦型構造を採用しており、内部還流（すなわ
ち上昇蒸気の凝縮）が発生する部位は、濃縮部側の管壁
（管内が濃縮部である場合には、管の内壁であり、管外
が濃縮部である場合には、管の外壁）となるが、上昇蒸
気が凝縮して生じた還流液は、例えば、濃縮部が充填塔
である場合には、管壁からすみやかに充填物が充填され
た蒸留部に供給（配布）されるような構造になっている
ことが望ましい。これは、例えば、充填物として規則充
填物を採用している場合には、規則充填物の周囲に凝縮
液を管壁に導く作用を果たすような金具を巻き付けるた
りすることにより、容易に実現することが可能である。

【００１８】なお、内部熱交換型蒸留塔においては、例
えば、ベンゼン−トルエンの２成分系の場合、原料のベ
ンゼン濃度が５０％のとき、従来の蒸留塔では外部還流
比が１．５程度になり、また、内部熱交換型蒸留塔では
外部還流比を０．２程度にまで減少させることができる
が、本発明によれば、この外部還流比を０にすることが
可能になり、外部還流比が０．２の内部熱交換型蒸留塔
に比べて、さらに７％程度省エネルギー効率を向上させ
ることができるようになる。

【００１９】また、還流液生成領域は、規則充填物や不
規則充填物が充填された充填塔や、充填物が充填されて
いない濡れ壁塔としたり、あるいは棚段塔としたりする
ことが可能であり、その具体的な構成に特別の制約はな
い。

【００２０】また、請求項２の内部熱交換型蒸留塔のよ
うに、管内を濃縮部とし、管内の上部の一部領域を還流
液生成領域とすることにより、設備コストの増大や、設
備の複雑化を招いたりすることなく、凝縮器を別に設け
て外部還流を行う必要のない内部熱交換型蒸留塔を提供
することが可能になる。

【００２１】すなわち、本発明の内部熱交換型蒸留塔
は、いわゆるシェルアンドチューブ熱交換器型構造を有
しており、管の上部は管板との接続部となっているた
め、管の高さは、蒸留機能を発揮するために必要とされ
る高さよりも、管板との機械的な接続のために必要な高
さ分だけ高く設計されることが多い。したがって、管内
の上部は、通常、管外よりも高さ方向に余裕があること
が多く、ここに、充填物を充填したりして還流液生成領
域とすることにより、事実上、塔高をほとんど高くする
ことなく、還流液生成領域を設けることが可能になり、
本発明をより実効あらしめることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示し
て、その特徴とするところを詳しく説明する。図１は、
本発明の内部熱交換型蒸留塔の要部構成を示す図であ
る。なお、この内部熱交換型蒸留塔の基本構成は、従来
の技術及び発明が解決しようとする課題の欄で示した図
２(ａ)及び(ｂ)の内部熱交換型蒸留塔と同様であること
から、相当部分については、先の従来の技術及び発明が
解決しようとする課題の欄の説明を援用することとし、
ここでは、その概略構成についてのみ説明する。すなわ
ち、この実施形態の内部熱交換型蒸留塔は、高圧側の管
内４が濃縮部、低圧側の管外５が回収部となり、管内
（濃縮部）４から管外（回収部）５に熱が移動するよう
に構成されている。

【００２３】なお、この実施形態の内部熱交換型蒸留塔
においては、複数管（管）２５は、特に図示していない
が、高さ方向の所定の位置で、所望の伝熱面積が確保さ
れるように、下部から上部に行くにつれて断面積（すな
わち径）が段階的に小さくなるように、異なる径の管を
接続することにより形成されている。

【００２４】また、複数管２５の管内（濃縮部）４には
規則充填物が充填されており、管外（回収部）５には不
規則充填物が充填されている。なお、管内４に不規則充
填物を充填することも可能であり、また、管外５に規則
充填物を充填することも可能である。また、規則充填物
及び不規則充填物の種類には特に制約はなく、種々の充
填物を用いることが可能である。

【００２５】そして、この実施形態の内部熱交換型蒸留
塔においては、図１に示すように、管内（濃縮部）４の
上部に、蒸留に寄与することを目的とせず、上昇蒸気を
凝縮させて還流液を生成させるべき領域（還流液生成領
域）２０が設けられている。なお、この実施形態では、
還流液生成領域２０に、該還流液生成領域２０より下側
の管内（濃縮部）４に充填されている規則充填物と同一
の規則充填物が充填されている。

【００２６】この実施形態の内部熱交換型蒸留塔では、
上述のように、管内（濃縮部）４の上部に、上昇蒸気を
凝縮させて還流液を生成させるべき領域（還流液生成領
域）２０を設けているので、外部還流によることなく、
内部熱交換型蒸留塔に所望の蒸留機能を発揮させるため
に必要な還流液を確保することが可能になる。したがっ
て、凝縮器を別に設けて濃縮部からの蒸気を凝縮させて
還流液を生成させることが不要になり、その場合に生じ
るようなエネルギーロスをなくして、内部熱交換型蒸留
塔の省エネルギー効果をさらに向上させることが可能に
なる。

【００２７】また、この実施形態では、管内４を濃縮部
とするとともに、管内（濃縮部）４の上部に、管内（濃
縮部）４に充填されている規則充填物と同一の規則充填
物を充填して還流液生成領域２０を設けるようにしてい
るので、実質的に複数管（管）２５の長さをほとんど長
くすることなく（すなわち、内部熱交換型蒸留塔の物理
的な高さをほとんど高くすることなく）、管内（濃縮
部）４の充填高さをわずかに増やすだけで（充填高さを
０．５ｍ程度増やして還流液生成領域２０とする）済む
ことから、設備コストの増大をほとんど招くことなく、
省エネルギー効果を向上させることが可能になる。

【００２８】なお、上記実施形態では、還流液生成領域
２０を、規則充填物が充填された充填塔とした場合につ
いて説明したが、還流液生成領域２０を、充填物が充填
されていない濡れ壁塔としたり、あるいは棚段塔とした
りすることも可能である。

【００２９】また、上記実施形態では、管内が濃縮部、
管外が回収部である場合を例にとって説明したが、本発
明は、管内が回収部となるように構成された内部熱交換
型蒸留塔にも適用することが可能であり、その場合に
も、上記実施形態の場合に準じた省エネルギー効果を得
ることが可能である。

【００３０】本発明はさらにその他の点においても上記
実施形態に限定されるものではなく、還流液生成領域の
具体的な構成その他に関し、発明の要旨の範囲内におい
て、種々の応用、変形を加えることが可能である。

【００３１】

【発明の効果】上述のように、本発明の内部熱交換型蒸
留塔は、濃縮部の上部に、上昇蒸気を凝縮させて還流液
を生成させる領域（還流液生成領域）を設けるようにし
ているので、外部還流を必要とすることなく、所望の蒸
留操作を行うために必要な還流液量を確保することが可
能になり、省エネルギー効果をさらに向上させることが
可能になる。すなわち、外部の凝縮器により濃縮部から
の蒸気を凝縮させて還流液を生じさせることによるエネ
ルギーのロスを回避することが可能になるとともに、外
部に別途凝縮器を設ける必要がなくなるため、設備コス
トを削減することが可能になる。

【００３２】また、請求項２の内部熱交換型蒸留塔のよ
うに、管内を濃縮部とし、管内の上部の一部領域を還流
液生成領域とすることにより、設備コストの増大や、設
備の複雑化を招いたりすることなく、凝縮器を別に設け
て外部還流を行う必要のない内部熱交換型蒸留塔を提供
することが可能になる。すなわち、本発明の内部熱交換
型蒸留塔は、いわゆるシェルアンドチューブ熱交換器型
構造を有しており、管の上部は管板との接続部となって
いるため、管の高さは、蒸留機能を発揮するために必要
とされる高さよりも、管板との機械的な接続のために必
要な高さ分だけ高く設計されることが多く、そのため、
管内の上部は、通常、管外よりも高さ方向に余裕があ
り、ここに、充填物を充填したりして還流液生成領域と
することにより、事実上、塔高をほとんど高くすること
なく、還流液生成領域を設けることが可能になり、本発
明をより実効あらしめることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる内部熱交換型蒸留
塔の概略構成を示す図である。

【図２】内部熱交換型蒸留塔の基本構成を示す図であ
り、(ａ)は正面断面図、(ｂ)は(ａ)のｂ−ｂ線断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 本体胴 ３ａ 上側管板（塔頂側管板） ３ｂ 下側管板（塔底側管板） ４ 管内（濃縮部） ５ 管外（回収部） ６ 回収部液入口 ７ 回収部蒸気出口 ８ 濃縮部液入口 ９ 濃縮部蒸気出口 １０ 回収部蒸気入口 １１ 回収部液出口 １２ 濃縮部蒸気入口 １３ 濃縮部液出口 １４ａ，１４ｂ 端室 ２０ 還流液生成領域 ２５ 複数管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000157603 丸善石油化学株式会社 東京都中央区八丁堀２丁目25番10号 (74)上記３名の代理人 100092071 弁理士 西澤 均 (72)発明者 中岩 勝 茨城県つくば市東１−１ 通商産業省工業 技術院 物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 阿曽 一正 兵庫県尼崎市杭瀬寺島２丁目１番２号 木 村化工機株式会社内 (72)発明者 中西 俊成 兵庫県尼崎市杭瀬寺島２丁目１番２号 木 村化工機株式会社内 (72)発明者 野田 秀夫 兵庫県尼崎市南七松町２丁目９番７号 関 西化学機械製作株式會社内 (72)発明者 吉田 一史 東京都中央区八丁堀二丁目25番10号 丸善 石油化学株式会社内 Ｆターム(参考） 4D076 AA22 BB04 BB30 CB03 DA04 DA35 EA03Y EA14Y

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単管又は複数管を両端管板によって本体胴
   と連結させることにより、本体胴の内部において、単管
   又は複数管の管内と管外が隔離された構造とし、 管内及び管外のそれぞれに気液の出入口を設け、 管内側と管外側の操作圧力に差をつけることにより操作
   温度を異ならせ、 単管又は複数管の管壁を伝熱面として、高圧側から低圧
   側に熱移動させることにより、高圧側が濃縮部、低圧側
   が回収部として機能するように構成された内部熱交換型
   蒸留塔であって、 濃縮部の上部に、上昇蒸気を凝縮させて還流液を生成さ
   せる領域（還流液生成領域）を設けたことを特徴とする
   内部熱交換型蒸留塔。
2. 【請求項２】前記単管又は複数管の管内が濃縮部であ
   り、管外が回収部であることを特徴とする請求項１記載
   の内部熱交換型蒸留塔。