JP2011218307A - 蒸留塔及び蒸留装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計装機器接続用配管内における固形物の付着を抑制でき、計装機器の誤指示を防止し、長期安定運転が可能な蒸留塔及び蒸留装置を提供する。
【解決手段】本発明の蒸留塔１０は、被蒸留液の蒸留の際に塔底部に溜まった塔底液を、リボイラを介して循環させる蒸留塔１０において、蒸留塔１０の側面に、リボイラにて加熱された塔底液を蒸留塔１０内部に導入する塔底液導入用配管１１と、計装機器に接続される計装機器接続用配管１２とが、蒸留塔１０内部と連通するように設けられ、計装機器接続用配管１２の一方の端部は、蒸留塔１０内部に配置されていると共に、端部の開口部１２ｂが蒸留塔１０の中心軸に向かないように屈曲または分岐している。
【選択図】図１

Description

本発明は、（メタ）アクロレイン、（メタ）アクリル酸および（メタ）アクリル酸エステルなどの易重合性物質等を含む液を蒸留する蒸留塔及び蒸留装置に関する。

例えば、易重合性物質の一種であるメタクリル酸は、イソブチレン、ターシャリーブタノール、メタクロレイン等の気相酸化反応により製造されている。該反応によりメタクリル酸を生成する場合、テレフタル酸、水、酢酸、アクリル酸等の多くの副生成物が不純物として生成される。また、主生成物であるメタクリル酸やエステル化反応により生成されるメタクリル酸エステルの一部も、重合してオリゴマー等の不純物となり得る。
合成した易重合性物質は、蒸留塔にて分離・精製することが一般的である。しかしながら、易重合性物質を蒸留する蒸留塔では、副生成物や合成した易重合性物質の重合体が蒸留塔やこれに接続される配管等に付着し、連続運転に支障をきたすことがあった。
例えば、特許文献１には、本願明細書の図４に示すように、蒸留塔１１０の塔底部１１０ａの、塔底液Ａの液面Ａ_１と最下段トレイ又は規則充填物の最下部１１３との間に、側面１１０ｂに開口部１１２ｂが形成されるように、圧力計等の計装機器（図示せず）に接続される計装機器接続用配管１１２が取り付けられていた。

ところが、従来の蒸留塔においては、塔底液導入用配管１１１を介して、リボイラにより加熱された塔底液を蒸留塔１１０内に導入した場合、液面Ａ_１から飛び跳ねた塔底液Ａが計装機器接続用配管１１２の内部に付着することがあった。
しかも、メタクリル酸製造の副生成物であるテレフタル酸や、メタクリル酸及び／又はメタクリル酸エステル等の易重合性物質の重合体は、メタクリル酸よりも高沸点であるため、蒸留塔の塔底部で濃縮される。そのため、塔底液中には、テレフタル酸や、メタクリル酸及び／又はメタクリル酸エステルの重合体が高濃度に含まれ、過飽和状態となり、析出しやすくなっている。そのような状態では、塔底液の冷却や蒸発が僅かでも進行すると飽和溶解度が低下して、テレフタル酸、メタクリル酸及び／又はメタクリル酸エステルの重合体が容易に析出した。したがって、計装機器接続用配管の内部に副生成物や易重合性物質の重合体が付着しやすく、閉塞を招くことがあった。

また、メタクリル酸を精製する蒸留塔では、塔底液温度が外気温より高くなるような条件で運転されるため、塔底液の液面より高い位置に設けられる計装機器接続用配管は塔底液より温度が低く、しかも外気との伝熱の影響を受けやすい。そのため、計装機器接続用配管内では付着した塔底液が冷却されやすく、副生成物や重合体が析出して固形物が付着しやすかった。
その上、計装機器接続用配管の内部に固形物が存在すると、計装機器接続用配管内に入り込んだ易重合性物質が長時間滞留するため、重合して新たに固形物を生成し、閉塞を促進させていた。しかも、温度の低い計装機器接続用配管内は、易重合性物質含有ガスが凝縮されやすく、該塔底液は重合防止剤を含まないため、重合が起こりやすい環境にあった。
そして、計装機器接続用配管の内部に固形物が付着・堆積すると、計装機器が誤指示を起こすことがあるため、長期連続運転に支障をきたすおそれがあった。
そこで、計装機器接続用配管の内部の固形物の付着を防止するために、計装機器接続用配管の内部に非凝縮性ガスを導入したり、計装機器接続用配管を装置内部に向かって３°〜７０°の下方勾配をつけて設ける対策を採ることがあった。（特許文献２、３参照）
しかしながら、かかる対策を講じても、計装機器接続用配管内部の固形物の付着を充分に防止することが難しかった。そのため、付着した固形物を化学的手段及び／又は物理的手段により高頻度で除去しなければならず、その除去作業に多大な労力と時間を要していた。

特開２００５−１７７６３３号公報 特開２００３−３１１１０１号公報 特開２００１−０８１０５０号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、計装機器接続用配管内における固形物の付着を抑制でき、計装機器の誤指示を防止し、長期安定運転が可能な蒸留塔及び蒸留装置を提供することを目的とする。

本発明者らが、蒸留塔１１０内にてリボイラにより加熱された加熱塔底液を蒸留塔内に導入し、液面Ａ_１から飛び跳ねた塔底液Ａが計装機器接続用配管１１２の内部に付着する様子を調べたところ、蒸留塔の中心軸方向から飛来する飛沫が多いことを見出した。その知見に基づき、計装機器接続用配管内における固形物の付着抑制するための手段について検討し、以下の蒸留塔及び蒸留装置を発明した。

本発明の蒸留塔は、被蒸留液を蒸留する際に塔底部に溜まった塔底液を、リボイラを介して循環させる蒸留塔において、該蒸留塔の側面に、リボイラにて加熱された塔底液を蒸留塔内部に導入する塔底液導入用配管と、計装機器に接続される計装機器接続用配管とが、蒸留塔内部と連通するように設けられ、前記計装機器接続用配管の一方の端部は、蒸留塔内部に配置されていると共に、該端部の開口部が蒸留塔の中心軸に向かないように屈曲または分岐していることを特徴とする。
本発明の蒸留塔においては、前記計装機器接続用配管の前記端部が、エルボ状配管もしくはチーズ状配管であることが好ましい。
本発明の蒸留装置は、上記蒸留塔と、該蒸留塔の塔底部に接続されたリボイラとを具備することを特徴とする。

本発明の蒸留塔及び蒸留装置によれば、計装機器接続用配管内の固形物の付着を抑制でき、計装機器の誤指示を防止し、長期安定運転が可能になる。また、計装機器接続用配管内部に付着した固形物の除去作業を削減できる。

本発明の蒸留塔の一実施形態例における塔底部を示す縦断面図である。 本発明の蒸留装置の一実施形態例を示す模式図である。 本発明の蒸留塔の他の実施形態例における塔底部を示す縦断面図である。 従来の蒸留塔の塔底部を示す縦断面図である。

＜蒸留塔＞
本発明の蒸留塔の一実施形態例について説明する。
図１に、本実施形態例の蒸留塔を示す。本実施形態例の蒸留塔１０は、被蒸留液を蒸留する際に塔底部１０ａに溜まった塔底液Ａを、リボイラ（図示せず）を介して循環させるものであり、蒸留塔１０の側面に、リボイラにて加熱された塔底液を蒸留塔１０の内部に導入する塔底液導入用配管１１と、計装機器（図示せず）に接続される計装機器接続用配管１２とが、蒸留塔１０の内部と連通するように設けられている。
塔底液導入用配管１１及び計装機器接続用配管１２の高さ方向の位置はいずれも、塔底液Ａの液面Ａ_１と、最下段トレイ又は規則充填物の最下部１３との間にされている。
なお、実際の蒸留塔１０では、塔底液導入用配管１１と計装機器接続用配管１２とは必ずしも同一断面上に存在しないが、図１では、これらの高さ方向の位置を明確に示すため、便宜上、同一断面上に図示している（後述の図３も同様）。

本実施形態例における計装機器接続用配管１２は、蒸留塔１０の側壁１０ｂを貫通し、一方の端部１２ａが蒸留塔１０の内部に配置されている。また、計装機器接続用配管１２の端部１２ａは、開口部１２ｂが鉛直方向の下方に向くようにされたエルボ状配管からなっている。ここで、エルボ状配管とは９０°屈曲した配管のことである。
計装機器接続用配管１２の端部１２ａがエルボ状配管からなっていることで、計装機器接続用配管１２の開口部１２ｂが蒸留塔１０の中心軸１０ｃに向かないようにされている。
計装機器接続用配管１２に接続される計装機器としては、例えば、塔底部１０ａ内の圧力を測定する圧力計、塔底液Ａの液面Ａ_１を測定する液面計、差圧計等が挙げられる。

蒸留塔１０で蒸留される被蒸留液としては、計装機器接続用配管１２の内部の固形物付着防止の効果がより発揮されることから、易重合性物質（ａ）を主成分として含み、固形物及び／又は易析出物質（ｂ）を副成分として含む液が好ましい。ここで、主成分とは、含有量が３０質量％以上の成分のことであり、副成分とは、含有量が３０質量％未満の成分のことである。
固形物及び／又は易析出物質（ｂ）は、易重合性物質（ａ）の合成時に生成された副生成物や、易重合性物質（ａ）の重合体等である。なお、易析出物質とは、被蒸留液に対する飽和溶解度が小さい物質のことである。

易重合性物質（ａ）としては、重合しやすい物質であれば特に限定されないが、例えば重合性ビニル化合物等が挙げられる。
重合性ビニル化合物の中でも、本発明の効果が特に発揮されることから、（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリル酸エステル、（メタ）アクロレインが好適である。これらの具体例としては、（メタ）アクリル酸などの不飽和カルボン酸類、メチル（メタ）アクリレート、ノルマルブチル（メタ）アクリレート、ターシャリーブチル（メタ）アクリレート、２−エチルヘキシル（メタ）アクリレート、ラウリル（メタ）アクリレート、トリデシル（メタ）アクリレート、ステアリル（メタ）アクリレートなどのアルキル（メタ）アクリレート類、シクロヘキシル（メタ）アクリレート、ベンジル（メタ）アクリレート、イソボルニル（メタ）アクリレート、グリシジル（メタ）アクリレート、テトラヒドロフルフリル（メタ）アクリレート、アリル（メタ）アクリレートなどの脂環・芳香環・複素環及びビニル基含有（メタ）アクリレート類、ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、２−メトキシエチル（メタ）アクリレート、２−エトキシエチル（メタ）アクリレートなどのヒドロキシルまたはアルコキシル基含有（メタ）アクリレート類、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、１、３−ブチレングリコールジ（メタ）アクリレート、１、６−ヘキサンジオオールジ（メタ）アクリレート、ポリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレートなどの多官能（メタ）アクリレート類、フタル酸２−（メタ）アクロイルオキシエチル、ヘキサヒドロフタル酸２−（メタ）アクロイルオキシエチルなどのカルボン酸含有（メタ）アクリレート類、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレートメチルクロライド塩、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレートベンジルクロライド塩、ジエチルアミノエチル（メタ）アクリレートなどのジアルキルアミノエチル（メタ）アクリレート類、トリフルオロエチル（メタ）アクリレート、ヘプタデカフルオロデシル（メタ）アクリレートなどのハロゲン化アルキル（メタ）アクリレート類、（メタ）アクロレインなどの不飽和アルデヒド類等が挙げられる。被蒸留液は、これら易重合性物質の１種を単独で含んでもよいし、複数種を含んでもよい。
易重合性物質（ａ）が例示した化合物である場合には、固形物及び／又は易析出物質（ｂ）としては、テレフタル酸、（メタ）アクリル酸及び／又は（メタ）アクリル酸エステルの重合体等が挙げられる。

上記のように、本実施形態例の蒸留塔１０では、計装機器接続用配管１２の端部１２ａがエルボ状配管からなっており、開口部１２ｂが、飛沫飛来の多い蒸留塔１０の中心軸１０ｃ方向に向かないようにされている。そのため、リボイラにより加熱された加熱塔底液を、塔底液導入用配管１１を介して蒸留塔１０内に導入した際に、液面から飛び跳ね、飛沫となった塔底液が計装機器接続用配管１２の内部に付着しにくい。しかも、本実施形態例では、開口部１２ｂが鉛直方向下向きにされているため、仮に塔底液が付着した場合でも容易に落下する。そのため、塔底液Ａ内で生成した析出物が計装機器接続用配管１２の内部に付着しにくく、また、計装機器接続用配管１２の内部にて滞留しにくく、新たな固形物が生成しにくい。
したがって、計装機器接続用配管１２の内部の固形物付着による計装機器の誤指示が防止されており、長期にわたって安定的に蒸留塔１０を運転することができる。また、計装機器接続用配管１２の内部の固形物を除去する作業を削減できる。

＜蒸留装置＞
上記蒸留塔１０を用いた蒸留装置の一実施形態例について説明する。
図２に、本実施形態例の蒸留装置を示す。この蒸留装置１は、蒸留塔１０と、蒸留塔１０の中央部に接続され、被蒸留液を供給する被蒸留液供給管２０と、蒸留塔１０の最底部１０ｄに接続され、塔底液Ａを抜き出す塔底液抜き出し用配管３０と、塔底液抜き出し用配管３０にリボイラ還流管４１を介して接続され、塔底液Ａの一部を加熱するリボイラ４０とを具備する。リボイラ４０で加熱された加熱塔底液は、塔底液導入用配管１１を介して、蒸留塔１０に返送されるようになっている。

蒸留装置１を用いた蒸留では、まず、被蒸留液供給管２０を介して蒸留塔１０に被蒸留液を供給し、蒸留塔１０にて蒸留する。蒸留により蒸留塔１０の塔底部１０ａに溜まった塔底液Ａは、塔底液抜き出し用配管３０を介して蒸留塔１０から抜き出され、一部は次工程に移送され、残部はリボイラ還流管４１を介してリボイラ４０に送られる。リボイラ４０にて加熱された加熱塔底液は、塔底液導入用配管１１を介して、蒸留塔１０の塔底部１０ａに再び導入される。このように、加熱塔底液を蒸留塔１０の塔底部１０ａに戻して循環させることにより、蒸留が継続するようになっている。

蒸留装置１においては、上述した蒸留塔１０を具備するため、蒸留の際に計装機器接続用配管１２の内部の固形物の付着を防止できる。したがって、計装機器の誤指示を防止でき、長期にわたって安定に運転できる。
本発明は、塔底液Ａの温度が外気温より高くなるような条件で蒸留される場合にとりわけ有効である。

なお、本発明は上記実施形態例に限定されない。
例えば、図３に示すように、計装機器接続用配管１２の端部１２ａを、Ｔ字状に３方に分岐した配管であるチーズ状配管としてもよい。チーズ状配管を用いた場合には、開口部１２ｂ，１２ｂが鉛直方向の上向きおよび下向きになるように配置することが好ましい。開口部１２ｂ，１２ｂが鉛直方向の上向きおよび下向きのチーズ状配管を用いた場合には、飛沫を含んだガスが一方の開口部１２ｂから入り込んだ場合でも、その殆どは、圧力損失の低い他方の開口部１２ｂから抜け出るようになる。したがって、計装機器接続用配管１２への塔底液の付着をより防止できる。
また、計装機器接続用配管１２の端部１２ａにおいて、Ｙ字状に３方に分岐した配管を用いてもよい。
計装機器接続用配管１２の開口部１２ｂは蒸留塔１０の中心軸１０ｃに向かないようにされていれば、飛沫が計装機器接続用配管１２の内部に入り込みにくくなるため、本発明において開口部１２ｂは鉛直方向の下方を向いていなくても構わない。例えば、斜め下方向を向いていてもよいし、水平方向を向いていていもよいし、鉛直方向の上方もしくは斜め上方向を向いていても構わない。ただし、開口部１２ｂを水平方向もしくは鉛直方向の上方もしくは斜め上方向に向ける場合には、計装機器接続用配管１２の下部、特にエルボ状配管またはチーズ状配管の下部にウイープホール等を設置することが好ましい。
また、塔底液導入用配管１１は計装機器接続用配管１２よりも高い位置に設けられても構わない。

以下に、本発明の実施例及び比較例を示す。
（実施例１）
図１に示すような、圧力計が接続された計装機器接続用配管１２の端部１２ａがエルボ状配管（内径７８ｍｍ）からなっており、開口部１２ｂが鉛直方向下向きとされた蒸留塔１０（内径１９００ｍｍ）を具備する減圧式蒸留装置を用いて、連続的にメタクリル酸を蒸留した。
定常状態となった後の塔底液Ａのメタクリル酸濃度は９８質量％であり、同液中にはテレフタル酸及びメタクリル酸のオリゴマーがいずれも７００ｐｐｍ程度含まれていた。また、塔底液の温度は９５℃であった。
本実施例では、計装機器接続用配管１２の内部に、テレフタル酸及びメタクリル酸のオリゴマーが析出して付着することがなかった。そのため、計装機器接続用配管１２の内部に付着した固形物に起因する圧力計の誤指示はなく、洗浄等を行わなくても、約１年間安定して連続運転できた。

（実施例２）
図３に示すような、圧力計が接続された計装機器接続用配管１２の端部１２ａがチーズ状配管（内径７８ｍｍ）からなっており、開口部１２ｂが鉛直方向上向き及び下向きとされた蒸留塔５０（内径１９００ｍｍ）を具備する蒸留装置を用いた以外は実施例１と同様にして、連続的にメタクリル酸を蒸留した。
定常状態となった後の塔底液Ａのメタクリル酸濃度は９８質量％であり、同液中にはテレフタル酸及びメタクリル酸のオリゴマーがいずれも８００ｐｐｍ程度含まれていた。また、塔底液の温度は９５℃であった。
本実施例では、計装機器接続用配管１２の内部には、テレフタル酸及びメタクリル酸のオリゴマーが析出して付着することがなかった。そのため、計装機器接続用配管１２の内部に付着した固形物に起因する圧力計の誤指示はなく、洗浄等を行わなくても、約１年間安定して連続運転できた。

（比較例１）
図４に示すような、圧力計が接続された計装機器接続用配管１１２（内径７８ｍｍ）の開口部１１２ｂが蒸留塔１１０の側面に形成された蒸留塔１１０（内径１９００ｍｍ）を具備する蒸留装置を用いた以外は実施例１と同様にして、連続的にメタクリル酸を蒸留した。
定常状態となった後の塔底液Ａのメタクリル酸濃度は９８質量％であり、同液中にはテレフタル酸及びメタクリル酸のオリゴマーがいずれも７００ｐｐｍ程度含まれていた。また、塔底液の温度は９５℃であった。本比較例では、蒸留塔１１０の運転開始から約１ヶ月で、計装機器接続用配管１１２の内部にテレフタル酸及びメタクリル酸のオリゴマーが析出して計装機器接続用配管１１２が閉塞し、運転の停止及び除去洗浄作業を余儀なくされた。

本発明の蒸留塔及び蒸留装置は、（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリル酸エステル、（メタ）アクロレイン等の易重合性物質を含む被蒸留液の蒸留に好適に使用される。

１ 蒸留装置
１０，５０ 蒸留塔
１０ａ 塔底部
１０ｂ 側壁
１０ｃ 中心軸
１０ｄ 最底部
１１ 塔底液導入用配管
１２ 計装機器接続用配管
１２ａ 端部
１２ｂ 開口部
２０ 被蒸留液供給管
３０ 塔底液抜き出し用配管
４０ リボイラ
Ａ 塔底液

Claims (3)

1. 被蒸留液を蒸留する際に塔底部に溜まった塔底液を、リボイラを介して循環させる蒸留塔において、
   該蒸留塔の側面に、リボイラにて加熱された塔底液を蒸留塔内部に導入する塔底液導入用配管と、計装機器に接続される計装機器接続用配管とが、蒸留塔内部と連通するように設けられ、
   前記計装機器接続用配管の一方の端部は、蒸留塔内部に配置されていると共に、該端部の開口部が蒸留塔の中心軸に向かないように屈曲または分岐していることを特徴とする蒸留塔。
2. 前記計装機器接続用配管の前記端部は、エルボ状配管もしくはチーズ状配管であることを特徴とする請求項１に記載の蒸留塔。
3. 請求項１または２に記載の蒸留塔と、該蒸留塔の塔底部に接続されたリボイラとを具備することを特徴とする蒸留装置。

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