JP2012533424A

JP2012533424A - エネルギー節減型蒸留塔アセンブリ（ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ−ｃｏｌｕｍｎａｓｓｅｍｂｌｙｆｏｒｓａｖｉｎｇｅｎｅｒｇｙ）

Info

Publication number: JP2012533424A
Application number: JP2012521576A
Authority: JP
Inventors: キュリー、スン; クリー、ジョン; ホシン、ジョン
Original assignee: エルジーケム．エルティーディ．
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2010-07-19
Publication date: 2012-12-27
Also published as: US8771479B2; KR101236664B1; KR20110008589A; WO2011010846A2; CN102596347A; EP2457630B1; EP2457630A4; US20120267233A1; EP2457630A2; BR112012001362B1; WO2011010846A3; BR112012001362A2

Abstract

【課題】エネルギー節減型蒸留塔アセンブリを提供する。
【解決手段】本発明は、蒸留工程に用いる２つの蒸留塔を組み合わせた蒸留塔アセンブリに関する。より詳しくは、１つの流入口、３つの流出口、及び内部に分離壁を備えた分離壁型蒸留塔と、２つの流入口と２つの流出口を有する一般型蒸留塔とが順次に接続され、前記分離壁型蒸留塔の２つの流出口流れは前記一般型蒸留塔の２つの流入口に導入されることを特徴とする蒸留塔アセンブリに関する。本発明は、従来２つの蒸留塔の工程装置を改良することで容易に設置することができ、エネルギー節減効果が大きいとともに、分離圧力差とユーティリティ温度差が大きい場合にも適用できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、蒸留工程に用いる２つの蒸留塔を組み合わせた蒸留塔アセンブリに関する。

原油（ＣｒｕｄｅＯｉｌ）などのような各種原料物質は、通常的に数多くの化合物質の混合物からなっている場合が多く、原油のまま産業に用いることなく、それぞれの化合物に分離した後に用いることが一般的である。混合物を分離する化学工程のうち代表的なものが蒸留工程である。

一般に蒸留工程は、高沸点成分と低沸点成分とで分けられるので、分離しようとする混合物の成分個数（ｎ）より一つ少ない個数（ｎ−１）の蒸留塔が用いられる。すなわち、従来の蒸留産業において３成分混合物の分離のために少なくとも２つの蒸留塔を用いなければならないが、実際工程にも殆どが連続している２つの蒸留塔構造が用いられる。

３成分混合物を分離するための従来の蒸留工程を図１に示す。
従来工程は、第１塔１１で最も低い低沸点成分Ｄを分離し、第２塔２１で中沸点成分Ｓと高沸点成分Ｂとを分離する２塔方式である。このような方式は一番目のコラムの下部領域に中沸点Ｓ物質の再混合現象が起きるのが一般的である。

このような３成分混合物を連続している２つの塔で分離する工程である従来発明に関するものとして、大韓民国特許出願公開第１０−２００３−００８８２１１号（出願公開日：２００３年１１月１９日）を例示することができる。この特許公開文献は２つの蒸留塔を運用してノマルブタノールを精製する方法について開示しているため従来技術としてこれを参照することができる。また、大韓民国特許出願公開第１０−２００３−００８８２１１号の文献上のすべての内容は本願明細書の従来技術に対する参照としてすべて引用している。

上記従来工程は製品生産物の組成は容易に制御することができるが、一番目の蒸留塔内において中沸点物質の再混合過程が起きる。これが蒸留塔での熱力学的効率を低下させる主要要因となって、エネルギーを必要以上に消費させる結果となっている。

このような従来の蒸留塔が有する問題点を改善するために、分離壁型蒸留塔（ＤＷＣ：ＤｉｖｉｄｉｎｇＷａｌｌＣｏｌｕｍｎ）が提案されている。分離壁型蒸留塔は構造的観点から塔内に分離壁を設けることで、予備分離器と主分離器とを主塔内部に統合させた形態である。このような構造の分離壁型蒸留塔は２つの蒸留塔を１つに統合させているため、投資費用も大幅に節減できるという大きな長所を有する。すなわち、２つの蒸留塔が分離壁によって一つの蒸留塔内に統合された構造であるので、一般型蒸留塔２つを使用した際に発生する中沸点成分の再混合によるエネルギー効率性低下の問題を根本的に解消されることができる。一般的に、分離壁型蒸留塔は一般型蒸留塔に比べて約３０％のエネルギー節減効果（最高では６０％）と２０〜３０％程度の投資費用節減効果があると知られる。所要空間も小さく収率／純度の向上効果が大きいため新規蒸留塔のみでなく従来蒸留塔に対するリバンプ（ｒｅｖａｍｐ）としても多く適用されている。分離圧力差とユーティリティ温度差とが大きい過ぎなければ３成分系以上の如何なる分離にも適用可能であるため技術適用範囲が最も広い。

特に、（１）中沸点成分が相対的に多い場合、（２）中沸点成分の高純度分離が要求される場合、（３）生産物規格と相手揮発度分布が一定する場合にすぐれた性能向上を見せる。予備蒸留部と主蒸留部を分離する分離壁区間の内部構造設計、分離壁区間での伝熱特性及びＨＥＴＰの予測、分離特性予測のための電算模写技術、運転及び制御性能の確保などが重要な技術的論点である。

大韓民国特許出願公開第１０−２００３−００８８２１１号明細書

蒸留工程は、韓国産業部門エネルギー総消費量の１９％と韓国全体エネルギー総消費量の１１％のエネルギーを消費していて、これはエネルギー使用量１、６７０万ＴＯＥとＣＯ_２排出量１、４６０万ＴＣ（重油基準）に相当する莫大な量である。韓国全体エネルギー総消費量（２００３年基準：１６．４×１０^７ＴＯＥ）の２４％を石油化学産業で消費していて、石油化学産業エネルギー総消費量の５０％が分離工程に使用され、分離工程エネルギー総消費量の約８５％を蒸留工程が使用される。

アメリカの場合はエネルギー総消費量の５．４％を、イギリスの場合は産業エネルギー総消費量の１３％を消費するほど、蒸留工程は代表的なエネルギー多消費工程である。

このような石油化学産業でのエネルギーコストは売上高に対して約７％であって、該当産業における平均受益率の２〜４％を大きく上回ってエネルギーコストが企業経営に相当な負担を与えている実情である。また、最近全世界的に気候変化協約が締結され、各国別炭素排出権などが問題化され、エネルギーコスト節減問題はＣＯ_２発生低減問題に直結するようになった。

このような状況下で、蒸留工程におけるエネルギー低減技術開発の必要性は極めて重要であるが、エネルギー節減必要性にもかかわらず高い設備投資費用により新規工程の代替は他分野に比べて最も遅れている実情である。すなわち、蒸留工程は装置産業で、その設備費用が非常に高価であるためエネルギー節減型新規装置が開発されたとしてもこれを代替する経済的妥当性を引き出すことが難しい。それで今までは既存設置された装置の運転方法を最適化させるなどして対応してきた。

したがって、従来装置を容易に、経済的に代替することができるエネルギー節減型蒸留装置の開発は切実であった。

上述のように、分離壁型蒸留塔は、従来の一般型蒸留塔に比べてエネルギー節減効果及び設備投資節減効果の側面において比較優位的な長所を有していて、従来の一般型蒸留塔を分離壁型蒸留塔に代替することによって、所期のエネルギー節減効果を得ることができる。

しかし、すべての化学物質に関する分離工程を分離壁型蒸留塔に単に置き換えてもエネルギーが節減できるわけではない。特に、分離圧力差とユーティリティ温度差が大きい場合、分離壁型蒸留塔のエネルギー節減効果は極めて小さいか、むしろ逆効果が起きえる。

まとめると、既存の蒸留装置を代替することができるエネルギー節減型蒸留装置は次のような要件を満たさなければならない。（１）エネルギー節減効果が大きいこと、（２）既存の工程を大きく変えず、経済的に代替することができること、（３）分離圧力差とユーティリティ温度差が大きい場合にも適用できることである。

したがって、本出願人は、分離壁型蒸留塔と一般型蒸留塔との配置順序、及び流れなどを適切に組み合わせて新しい蒸留塔アセンブリを提案する。この蒸留塔アセンブリは既存の２つの蒸留塔工程装置を改良することで、容易に設置することができ、エネルギー節減効果も大きく、分離圧力差とユーティリティ温度差が大きい場合にも適用できる。

本発明は、上述の従来技術の問題点及びそれに対する課題を解決するために案出されたものであって、１つ流入口、３つ流出口、及び内部に分離壁を備えた分離壁型蒸留塔と、２つの流入口と２つの流出口を有する一般型蒸留塔とが順次に接続され、前記分離壁型蒸留塔の２つの流出口流れは前記一般型蒸留塔の２つの流入口に導入されることを特徴とする蒸留塔アセンブリを提供する。

また、本発明の蒸留塔アセンブリにおいて、前記分離壁型蒸留塔から前記一般型蒸留塔に導入される２つの流れは、それぞれ中沸点流れ及び高沸点流れであることを特徴とする蒸留塔アセンブリを提供する。

また、本発明の蒸留塔アセンブリにおいて、前記分離壁型蒸留塔から前記一般型蒸留塔に導入される２つの流れは、それぞれ中沸点流れ及び低沸点流れであることを特徴とする蒸留塔アセンブリを提供する。

また、前記蒸留塔アセンブリに、３成分以上の混合物を提供して３種の留分を分留する方法を提供する。

本発明は、既存の２つの蒸留塔工程装置を改良することで、容易に設置することができ、エネルギー節減効果が大きく、分離圧力差とユーティリティ温度差が大きい場合にも適用することができる。

３成分混合物の分離のための従来の蒸留工程を示す図である。本発明における一つの構成である分離壁型蒸留塔の構造を示す図である。本発明の実施例１及び比較例１の概念を示す図である。本発明の実施例２及び比較例２の概念を示す図である。本発明の実施例１及び比較例１の結果を示す図である。本発明の実施例２及び比較例２の結果を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

本発明は、１つ流入口、３つ流出口、及び内部に分離壁を備えた分離壁型蒸留塔と、２つの流入口と２つの流出口を有する一般型蒸留塔とが順次に接続され、前記分離壁型蒸留塔の２つの流出口流れは前記一般型蒸留塔の２つの流入口に導入されることを特徴とする蒸留塔アセンブリに関する。

本発明において、前記分離壁型蒸留塔は、１つの流入口、及び３つの流出口を有する。

図２に本発明における一つの構成である分離壁型蒸留塔の構造を示す。

この分離壁型蒸留塔は、下記のように大きく６部分に区画することができる。

上部供給区域１００は分離壁のない主塔の上部領域を言う。

上部供給区域２００は分離壁で一面が区画される領域であって、流入物（原料）流れより上部に位置するサブ領域である。

上部流出区域３００は分離壁で一面が区画される領域であって、流出物流れより上部に位置するサブ領域である。

下部供給区域４００は分離壁で一面が区画される領域であって、流入物流れより下部に位置するサブ領域である。

下部流出区域５００は分離壁で一面が区画される領域であって、流出物流れより下部に位置するサブ領域である。

塔底区域６００は分離壁のない主塔の下部領域を言う。

３成分以上の混合物原料Ｆが前記上部供給区域及び前記下部供給区域が接する中間段ＮＲ１に流入され、低沸点成分Ｄは前記上部供給区域から流出され、高沸点成分Ｂは前記塔底区域から流出され、中沸点成分Ｓは前記上部流出区域及び前記下部流出区域が接する中間段ＮＲ２から流出される。

それぞれ上記に述べたように、１つの混合物原料の流入口流れと低沸点成分流れ、中沸点成分流れ、高沸点成分流れの３つの流出口流れが存在することになる。

前記分離壁型蒸留塔は、従来の蒸留塔を制限なくそのまま使用することができ、従来の分離壁型蒸留塔は当該技術分野で通常知識を有する者（以下、当業者と略称する）にとって自明なので説明を省略する。説明が必要であれば、本出願人が出願した大韓民国特許出願公開第１０−２００８−０１２９０４９号（出願日：２００８年１２月１８日）を参照することができ、この大韓民国特許出願公開第１０−２００８−０１２９０４９号の文献上のすべての内容は本発明明細書上の参照として引用される。

本発明において、前記一般型蒸留塔は２つの流入口及び２つの流出口を有する。図１に示すように、従来一般的に用いられた蒸留塔は、１つの流入口と２つの流出口を有するが、本発明の一般型蒸留塔は２つの流入口を有するように改良されたものである。これが従来の一般的な蒸留塔との相違点であって、このようなことから「一般型蒸留塔」という用語は、従来の蒸留塔であるという意味ではなく、分離壁型蒸留塔でない他の種類の蒸留塔であることを示す用語であることを理解してほしい。

本発明において、前記分離壁型蒸留塔と前記一般型蒸留塔とは順次に接続されていて、前記分離壁型蒸留塔の３つの流出口流れのうち任意に選択された２つの流出口流れは前記一般型蒸留塔の２つの流入口に導入される。

３つの流出口流れのうち任意に２つが選択されるので、低沸点流れと中沸点流れが一般型蒸留塔に導入される場合（第１場合）；低沸点流れと高沸点流れが一般型蒸留塔に導入される場合（第２場合）；中沸点流れと高沸点流れが一般型蒸留塔に導入される場合（第３場合）のような３つの場合の数が存在する。

特に、前記一般型蒸留塔に導入される２つの流出口流れは、相手揮発度分布などを考慮して当業者が適切に選択することができる。すなわち、低沸点物質とその他の物質との揮発度差が非常に大きい場合には、低沸点流れを除いたその他の中沸点流れ及び高沸点流れを前記一般型蒸留塔に導入することが好ましく、高沸点物質とその他の物質との揮発度差が非常に大きい場合には、高沸点流れを除いたその他の低沸点流れ及び中沸点流れを前記一般型蒸留塔に導入することが好ましい。

前記分離壁型蒸留塔から前記一般型蒸留塔に導入された２つ流れは互いに混合せずそれぞれ一般型蒸留塔に個別に導入される。前記２つの流入口流れが再び混合されることになると、これを分離するために追加的なエネルギーが消費されることになるので好ましくない。

また、前記分離壁型蒸留塔から前記一般型蒸留塔に導入された２つの流れは各流れの混合物濃度と一般型蒸留塔内での混合物濃度とを当業者が比較判断して適切な段位置にそれぞれ導入させることができる。言い換えれば、定常状態（ｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅ）に運転される蒸留塔は各段の位置によって所定混合物濃度分布を有するが、各流れの導入段位置を決定するためにこれを考慮することができる。熱力学的には、導入される流れの濃度と前記流れが導入される位置での濃度とが類似する方がよい。

特に、蒸留塔において、段位置による混合物の濃度分布は、被蒸留物が導入される段の位置によってもさらに影響を受けるので、このような段位置を決定するためには当業者が試行錯誤法（ｔｒｉａｌａｎｄｅｒｒｏｒ）の方法によって位置を決定することもできる。

また、本発明は、上述の蒸留塔アセンブリに、３成分以上の混合物を提供して３種の留分を分留する方法に関する。

以下、実施例を参照して本発明をさらに詳しく説明する。本発明の実施例は発明の詳細な説明のためのものであって、これが権利範囲を制限するものではない。
実施例１及び比較例１−ダイレクトシーケンス (Direct sequence) の例

まず、低沸点成分を第１塔で分離し、その他の中沸点成分及び高沸点成分を第２塔で再分離する従来の工程（比較例１）を本発明の蒸留塔アセンブリ（実施例１）に代替して蒸留塔性能実験を行った。

従来の工程は、第１塔に分離壁を設け、第２塔に導入管１つをさらに追加することで簡単に変更することができた。

図３に本発明の実施例１及び比較例１の概念を示す。

工程はクルド２−ＥＨ（Ｃｒｕｄｅ２−ＥｔｈｙｌＨｅｘａｎｏｌ）を被蒸留物とし、蒸留した２−ＥＨは実施例１及び比較例１ともに９９ｗｔ％以上の高純度含量を示した。その結果は図５に示すとおりである。各メス流れ量の単位はｔｏｎ／ｈｒである。

エネルギー消費量を下記表１に示す。

実施例２及び比較例２−インダイレックトシーケンス(Indirect sequence)の例

まず、高沸点成分を第１塔で分離し、その他の低沸点成分及び中沸点成分を第２塔で再分離する従来の工程（比較例２）を本発明の蒸留塔アセンブリ（実施例２）に代替して蒸留塔性能実験を行った。

図４に本発明の実施例２及び比較例２の概念を示した。

工程はクルド２−ＥＨ（Ｃｒｕｄｅ２−ＥｔｈｙｌＨｅｘａｎｏｌ）を被蒸留物とし、蒸留した２−ＥＨは実施例２及び比較例２とともに９９ｗｔ％以上の高純度含量を示した。その結果は図６に示すとおりである。各メス流れ量の単位はｔｏｎ／ｈｒである。

エネルギー消費量を下記表２に示す。

ダイレクトシーケンス型なのか、インダイレックトシーケンス型なのかによって多少エネルギー節減量に差はあったが、前記表１及び表２に示すように、従来の工程を本発明の蒸留塔アセンブリに代替することによってエネルギー節減率が向上されたことをわかる。

１１第１塔
２１第２塔
１００上部供給区域
２００上部供給区域
３００上部流出区域
４００下部供給区域
５００下部流出区域
６００塔底区域

Claims

１つの流入口、３つの流出口、及び内部に分離壁を備えた分離壁型蒸留塔と、２つの流入口と２つの流出口を有する一般型蒸留塔とが順次接続され、
前記分離壁型蒸留塔の３つの流出口のうちの２つは前記一般型蒸留塔の２つの流入口に導入されることを特徴とする蒸留塔アセンブリ。
前記分離壁型蒸留塔から前記一般型蒸留塔に導入される２つの流れは、それぞれ中沸点流れ及び高沸点流れであることを特徴とする請求項１に記載の蒸留塔アセンブリ。
前記分離壁型蒸留塔から前記一般型蒸留塔に導入される２つの流れは、それぞれ中沸点流れ及び低沸点流れであることを特徴とする請求項１に記載の蒸留塔アセンブリ。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の蒸留塔アセンブリに、３成分以上の混合物を提供して３種の留分を分留する方法。