JP2013208561A - 熱交換型蒸留装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多くの工業プロセスで広く適用される熱交換型蒸留装置を提供する。
【解決手段】濃縮部のうちで、最も下部に位置する熱交換部よりも上の部位に相当する高圧塔１と、高圧塔１から見て上方に配置され、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部位、及び前記濃縮部内で最も下部に位置する前記熱交換部よりも下側の部位に相当する濃縮部相当部分２ｇをあわせた低圧塔２と、を備え、濃縮部相当部分２ｇは、回収部と連続するように低圧塔２内の回収部の頂部２ｃの上に配置されている。さらに、高圧塔１の塔底部１ａに溜まった液を濃縮部相当部分２ｇへ圧送する手段６を介して、高圧塔１の塔底部１ａと濃縮部相当部分２ｇからの蒸気を圧縮して低圧塔２の下部内の熱交換器８に送るコンプレッサー４と、低圧塔２の下部内の熱交換器８を経た流体を高圧塔１の塔底部１ａに導入する第三の配管３０と、を備える。
【選択図】図６

Description

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。

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、省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。

このHIDiCの基本的なシステムは図１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。

このようなHIDiCを実用化するために、二重管構造、すなわち濃縮部を形成する内管と回収部を形成する外管とからなる二重管構造の蒸留装置（特許文献１参照）が数多く提案されている。こうした構成は濃縮部（内管）から回収部（外管）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るとされている。

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）のような課題があった。

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。

特許文献１に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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

上述のような課題を解決できる熱交換型蒸留装置として、本出願人は特許文献２の装置を提案している。

図２は特許文献２に開示されている蒸留装置の第一の例を示している。この蒸留装置は、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とを備えている。さらに蒸留装置は、濃縮塔１の所定の段に配置されたチューブバンドル型の熱交換器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。

このような図２の構成では、第二の配管２４によって回収塔２から濃縮塔１の熱交換器８へ液体が流れ、熱交換器８によって濃縮塔１内の蒸気の熱を奪い、この熱を第三の配管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。また、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、熱交換器８内の流体は濃縮塔１から回収塔２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１から鉛直方向上側の回収塔２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。

さらに、図３は特許文献２に開示されている蒸留装置の第二の例を示している。この蒸留装置は、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とを備えている。さらに蒸留装置は、回収塔２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２ｅと、液溜め部２ｅ内に配置された熱交換器８と、濃縮塔１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１６と、仕切板１６の下側の蒸気を熱交換器８へ導入する第二の配管２９と、第二の配管２９を経由して熱交換器８へ導入された後に熱交換器８より流出する流体を仕切板１６の上側へ導入する第三の配管３０と、を備えている。

このような図３の構成では、第二の配管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に導入して、濃縮塔１の熱を回収塔２に移動させることができる。また、濃縮塔１内の高圧蒸気は回収塔２における熱交換器８に向かって第二の配管２９を上昇し、これによって、熱交換器８内で一部、或いは全て凝縮した流体が回収塔２から塔外の第三の配管３０に押し出される。したがって、この構成は回収塔２から鉛直方向下側の濃縮塔１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。

上述した図２および図３の装置構成は、一つの塔において原料供給位置を境に上側が濃縮部、下側が回収部となっている内部熱交換型ではない普通の蒸留装置と比べて、濃縮塔１の塔頂部に取り付けられるコンデンサー７の除熱量が小さくでき、また、回収塔２の塔底部に取り付けられるリボイラー３の入熱量も小さくできる。結果、エネルギー効率の良い蒸留装置を提供することができる。

また、濃縮塔１や回収塔２を、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できるので、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。

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。

以上のように特許文献２記載の装置例（図２および図３）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。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。

特開２００４−１６９２８号公報 特許第４８０３４７０号

本発明者らは、図２や図３に示した蒸留装置に関して、エネルギー効率の更なる向上、並びにユーザー側により受け入れられやすい構造を目指しており、それぞれの蒸留装置例には次のような乗り越えるべき課題があった。

つまり、図２に示した蒸留装置では、次のような手法が採用されている。回収塔２の任意の段における液の一部又は全部が塔外の配管２４で抜き出され、濃縮塔１の任意の段に設置されたチューブバンドル型の熱交換器８に供給され、ここで熱交換が行われる。その後、回収塔２から抜出された液が、より温度の高い濃縮塔１の蒸気により一部或いは全量気化され、サーモサイフォン効果により、塔外の配管２５を経由して回収塔２の上記の液抜出し位置の直下まで、ポンプなどで外部からのエネルギーを与えることなく戻る。こうした流体の循環が行われている。

このような手法では、サーモサイフォン効果による流体の循環を行うためにチューブバンドル型熱交換器８の供給側（塔外の配管２４）で液ヘッド（水頭差）が必要となる。つまり、回収塔２からの液抜き出し位置Ｘと濃縮塔１の熱交換器設置位置Ｙの間の距離（高さ）に相応して配管２４，２５の鉛直方向に延びる部分が長くなると、熱交換を行う流体の圧力損失が増加するので、これに打ち勝って流体を循環させるため熱交換器８の入口位置（熱交換器８に接続する配管２４の端部）を基準とする液ヘッドも大きくなる。しかし、熱交換器８のチューブ内では、その液ヘッドの増加により圧力が高くなって沸点が上昇するため、この沸点上昇に相当する分、熱交換器８におけるチューブ内側とチューブ外側（シェル）との実質的な温度差が小さくなる。これを補填するように濃縮塔１の圧力を大きくする、すなわちコンプレッサー４の圧縮比を上げて濃縮塔１内の温度を上げる必要が生じる。よって、省エネルギー性の観点で改善すべき課題があった。

他方、図３に示した蒸留装置では、次のような手法が採用されている。濃縮塔１の任意の段に塔内を上下に完全に仕切る仕切板１６が設置されており、仕切板１６の下から上がってくる全ての蒸気が塔外に配管２９で抜き出され、回収塔２の任意の段に設置されたチューブバンドル型の熱交換器８に供給され、ここで熱交換が行われる。その後、熱交換器８において一部又は全部が凝縮された流体が、塔外の配管３０を経由して濃縮塔１内の仕切板１６の上部に重力により流れ、凝縮された液は、別の配管３１を経由して仕切板１６の下へ移動可能になっている。こうした流体の循環が行われている。

このような手法では濃縮塔１内の全ての蒸気を塔外に抜き出すことを想定しているため、濃縮塔１内に仕切板１６を設置すると共に、回収塔２から仕切板１６上に送られてきた凝縮液を更に塔外の配管３１及び制御弁１７を経由して仕切板１６の下側空間へ移動させるという複雑な構造となっていた。よって、構造及び製造コストの観点で改善すべき課題がある。

さらには、仕切板１６の上下で圧力損失を与えることで、熱交換器８のチューブを通る流体の駆動力を得るため、その仕切板１６の上下の圧力損失分、濃縮部１の塔頂部１ｃの圧力よりも塔底部１ａの圧力を大きくする必要がある。これにより、その塔底部１ａ側の圧力を上げる分、コンプレッサー４の出口側圧力を高く設定する（すなわち圧縮比を大きくする）必要が生じる。したがって、省エネルギー性の観点でも改善できる課題があった。

こうした図２と図３の装置構成例の両方における課題を解決するため、本発明者らは次のような実情に着眼した。

HIDiCの実用化において、回収部と濃縮部の間でサイド熱交換を行う段どうしを最適に選定したとき、濃縮部の最下段が回収部との熱交換に使用されない場合がある。この場合のHIDiCの概念的な構成を示したのが図４であり、その場合のHIDiCの実施の形態例を示したのが図５や図６である。特に図５は図２の装置の熱移動システムを図４の概念的構成に適用し、図６は図３の装置の熱移動システムを図４の概念的構成に適用したものを示している。

図４〜図６の構成を参照して分かるように、濃縮部下部１ｄにおける単段もしくは複数段が熱交換に何も関与しないという事が多々ある。この事は棚段ではなく充填層でも同様である。このような構成では最も高温な濃縮部下部１ｄが熱交換に有効利用されていない。

図４〜図６のように濃縮部下部１ｄが回収部との熱交換に使用されない構成であるならば、コンプレッサー４の出口配管を濃縮塔の塔底部１ａ（濃縮部最下部）に接続する必要性は生じない。むしろ、濃縮部のうち最も下に位置する熱交換部（濃縮部下部１ｄの直ぐ上の熱交換部）に、コンプレッサー４の出口配管４ａを接続した方（図４〜図６中の点線で示す接続状態を参照）が熱を無駄にしない。しかし、コンプレッサー４の出口配管４ａを濃縮部最下部に直接接続しないで、濃縮部のうち最も下に位置する熱交換部に直接接続すると、これより下にある濃縮部下部１ｄにガスが存在しなくなるため、気液平衡を分離の原理とする蒸留操作が成立しなくなる。よって、そのような接続の仕方をとる装置は実現できない。

そこで、本発明者らは、例えば図４に示すように、濃縮部下部１ｄに相当する部位（図４中に点線で示す部位）２ｇを回収塔上部の上方（言い換えれば、原料供給段２ｆより上）に移動配置することを考えた。このように配置しても流体の流れ自体は何ら変わらないし、また濃縮部下部１ｄの段を原料供給段２ｆより上に移動配置させれば、濃縮部下部に相当していた部位２ｇを、濃縮塔１の圧力より低い回収塔２の圧力下で稼動させることが出来る。この結果、当該部位２ｇにおける相対揮発度が大きくなることとなり、もともと分離操作に必要となるエネルギー（熱量）そのものを減らすことが出来る。

また、濃縮部下部１ｄの直ぐ上の位置にコンプレッサー４の出口配管４ａを、図４〜図６中の点線のように接続した構成の場合、コンプレッサー４の出口配管４ａからの蒸気は濃縮塔１内に供給され、そこから熱が回収塔２の下部の熱交換部２ｈへ移動し、再び、出口配管４ａが接続されている濃縮塔１の位置へ戻ることになる。それならば、コンプレッサー４の出口配管４ａをわざわざ濃縮塔１に接続せずに、回収塔２の下部の熱交換部２ｈに直接接続し、ここで熱交換された流体を濃縮塔１に導入する装置構成にした方が良いと本発明者らは考えた。

この考えに基づく装置構成の場合、後に詳しく説明するが、図５の装置構成は図７の装置構成になり、図６の装置構成は図８の装置構成になる。図７や図８の装置構成によると、低圧塔と高圧塔の夫々の幾つかの段どうしで熱交換を行う複数の熱移動システムのうち、低圧塔下部と高圧塔下部の間に設けられる一つの熱移動システムでは、図７や図８に示すように低圧塔下部の熱交換器８に直接、コンプレッサー４からの高圧蒸気が送られ、その熱交換器８で低圧塔下部に熱を与えた該高圧蒸気が濃縮塔１内に導入されるようになる。この熱移動システムにおいては、図２の装置構成の課題と図３の装置構成の課題の両方が解決されている。その理由は次のとおりである。

すなわち、図２および図５の装置例では、濃縮部と回収部の間で熱交換を行う為にサーモサイフォン効果による流体の循環を使用するが、その流体循環を実現するためにチューブバンドル型熱交換器８の供給側（塔外の配管２４）で液ヘッド（水頭差）が必要であり、省エネルギー性を損ねるという課題があった。しかし、図７の装置構成は、一部の熱移動システムにおいては液ヘッドを必要としないため、省エネルギー性の改善が見込まれる。

他方、図３の装置例では、濃縮塔１に供給された高圧蒸気が塔外の配管２９を通って回収塔１内へ移動し、回収塔１内の液溜め部２ｅの熱交換器８で一部又は全部が凝縮された流体が別の配管３０により濃縮塔１へ戻るようになっている。この為に、濃縮塔１内を仕切板１６で完全に仕切り、仕切板１６の下側空間に配管２９を接続し、仕切板１６の上側空間に配管３０を接続し、仕切板１６の下側空間の圧力の方を高く設定する必要があった。このような圧力差の設定は省エネルギー性を損ねるという課題があるが、図８の装置構成は、一部の熱移動システムにおいて圧力差を必要としないため、省エネルギー性の改善が見込まれる。

以上のように本発明の目的は、図２と図３の装置構成例の両方における課題を解決し、更なる省エネルギー化を図ることにある。

本発明の一態様による熱交換型蒸留装置は、
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部位のうちで、最も下部に位置する熱交換部よりも上の部位に相当する高圧塔と、
前記高圧塔から見て上方に配置され、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部位、及び前記濃縮部内で最も下部に位置する前記熱交換部よりも下側の部位に相当する濃縮部相当部分をあわせた低圧塔と、を備えている。

そして、その濃縮部相当部分は、回収部と連続するように低圧塔内の回収部の頂部の上に位置する。

さらに、上記の態様は、高圧塔の塔底部に溜まった液を低圧塔内の濃縮部相当部分へ圧送する手段を介して、高圧塔の塔底部と低圧塔内の濃縮部相当部分とを連通させる第一の配管と、
低圧塔の下部内の段（最下段でも、そうでなくても良い）に配置された熱交換器と、
濃縮部相当部分と低圧塔の下部内の前記熱交換器とを連通させる第二の配管と、
第二の配管に設置され、濃縮部相当部分からの蒸気を圧縮して低圧塔の下部内の前記熱交換器に送るコンプレッサーと、
低圧塔の下部内の熱交換器を経た流体を高圧塔の塔底部に導入する第三の配管と、
を備えている。

こうした態様では、コンプレッサーによる高温蒸気を低圧塔の下部に設置された（ただし、最下段とは限定しない）熱交換器に導入し、この熱交換器を経た流体を高圧塔の下部へ導入することで、低圧塔の下部（ただし、最下段とは限定しない）に熱を付与するとともに、高圧塔の最下部に導入すべき流体を冷やすことができる。このように第二、第三の配管および低圧塔内の熱交換器を用いた熱移動システム（サイド熱交換部）は、あたかも、高圧塔の最下部の段にサイドコンデンサーが設置されると共に、低圧塔の下部の段（最下部とは限定しない）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、上記の熱移動システムを備えない蒸留装置と比べて、コンデンサーの除熱量が小さくでき、リボイラーの入熱量も小さくできる。

特に、低圧塔下部と高圧塔下部の間で熱交換を可能にする上記の熱移動システムが、低圧塔に設けられた熱交換器に直接、コンプレッサーからの高圧蒸気を導入し、これによって、その熱交換器で凝縮された流体を高圧塔内に送り込む構成になっている。すなわち、図２の装置例のような液ヘッド（水頭差）又は、図３の装置例のような圧力損失を必要としない構成である。したがって、液ヘッドや圧力損失を必要としない分、省エネルギー性が改善される。また、濃縮部下部に相当する部位（濃縮部相当部分）を高圧塔の圧力より低い低圧塔の圧力下で稼動することが出来るため、図４〜図６の構成と比べて、濃縮部相当部分における相対揮発度が大きくなることとなり、もともと分離操作に必要となるエネルギー（熱量）そのものを減らすことが出来る。

以上の事から、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。

また、濃縮部や回収部、あるいは高圧塔や低圧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、濃縮部や回収部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。

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。

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。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。

加えて、本発明によれば、図２と図３の装置構成例の両方における課題を解決し、更なる省エネルギー化を図ることができる。

ＨＩＤｉＣの基本的な構造を示す図。 関連する先行技術であって特許文献２に開示されている蒸留装置の一例を示す概略構成図。 関連する先行技術であって特許文献２に開示されている蒸留装置の他の例を示す概略構成図。 本願発明の着眼経緯を説明するために示した装置概念図。 図４の概念的構成に基づいて図２の装置構成を実施した形態を示す図。 図４の概念的構成に基づいて図３の装置構成を実施した形態を示す図。 本発明の一実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図。 本発明の他の実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図。 図７や図８の低圧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７や図８の高圧塔内に配置された液抜き部の構成図。 図７や図８の高圧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。

本発明の熱交換型蒸留装置は、鉛直方向に延びる回収部として利用される部位及び、濃縮部に設置されるサイド熱交換部のうち最下段のものよりも下側の部位に相当する濃縮部相当部位をあわせた塔体（低圧塔）と、鉛直方向に延びる濃縮部のうち上述の濃縮部相当部位を除いた部位からなる塔体（高圧塔）とを別々に設け、低圧塔を高圧塔から見て上方に配置した点を基本的特徴とする。なお、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、下側が回収部となっており、本発明の熱交換型蒸留装置とは全く異なるものである。特に、以下に説明する形態は、本出願人が既に提案している図２および図３の蒸留装置の両構成を使用したものである。したがって、図２および図３に示した構成要素と同じものには同一の符号を用いて本発明の実施形態例を説明することにする。

図７は本発明の一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、濃縮部のうち最も下部で行われるサイド熱交換の部位よりも下側の段に相当する部位を除いた残りの部位である高圧塔１と、高圧塔１から見て上方に配置された全回収部と先述の濃縮部下部とをあわせた低圧塔２とを有している。高圧塔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。低圧塔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、後述する濃縮部下部２ｇから構成されている。

さらに、発明の概要の欄で図４と図５を使って説明したように、本実施形態の高圧塔１は、図５の濃縮塔１から濃縮部下部１ｄを切り離して残った部位（濃縮部上部）に相当し、その切り離された濃縮部下部１ｄに相当する部位（以下、濃縮部相当部分２ｇと称す。）は低圧塔２の回収部頂部２ｃより上に配置されている。このように低圧塔上部を濃縮部相当部分２ｇとして使用できる構成では、濃縮部相当部分２ｇを図５の濃縮塔１の圧力より低い低圧塔２の圧力下で稼動することが出来る。このため、濃縮部相当部分２ｇにおける相対揮発度が大きくなることとなり、もともと分離操作に必要となるエネルギー（熱量）そのものを減らすことが出来る。

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。

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。なお、図７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。

さらに高圧塔１および低圧塔２の各々について個別に詳述する。まずは、低圧塔２を説明する。

低圧塔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、低圧塔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頂へと上昇する。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。

低圧塔２内の回収部頂部２ｃは原料を供給する位置となっており、この部位に原料供給段２ｆが設けられている。前述したとおり、低圧塔２内の回収部より上（すなわち原料供給段２ｆより上）には、濃縮部相当部分２ｇが配置されている。濃縮部相当部分２ｇと低圧塔２内の回収部頂部２ｃは内部が通じるように連続している。本実施形態では原料供給位置を低圧塔２内の回収部塔頂部２ｃとしたが、原料供給位置は原料組成の変化に対応する必要があれば、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、原料供給位置は低圧塔２内の回収部頂部２ｃと、それ以外の任意の段（高圧塔１の段も含む）とすることも可能である。

低圧塔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、後述する液溜め部２ｅよりも上側に位置する段にある。液抜き部２ｄは、図９に示すように、上から流下してきた液１０を液溜め用棚板５に溜め、液１０の一部を低圧塔２の外部へ抜き出す。液抜き部２ｄには、液１０の一部を高圧塔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、高圧塔１側からの配管２５が低圧塔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。

加えて、低圧塔２の塔底部２ａの直近にある棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）は液溜め部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が配置されている（図１１参照）。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。

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、コンプレッサー４の出口に接続された配管４ａ（図７参照）が接続されている。下側のチューブ部分８ａには、低圧塔２から高圧塔１の塔底部１ａへ流体を送る配管３０（図７参照）が接続されている。また、コンプレッサー４の入口には配管２３を介して、低圧塔２の上に配置された濃縮部相当部分２ｇが接続されている。

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。

上記した蒸留装置では、低圧塔２内の回収部頂部２ｃ（原料供給段２ｆ）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１１参照）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、液溜め部２ｅにおける熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂに、コンプレッサー４による高温蒸気が配管４ａを経て導入される。このとき、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１１参照）。尚、蒸気とならずに残った液は出口堰をこえて流下する。また、配管４ａから低圧塔２内の熱交換器８へ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、一部または全部が凝縮されて気相から液相に変わる。この凝縮で出来た液と、未凝縮の蒸気は、塔外の配管３０を通り、高圧塔１の塔底部１ａに送られる（図７参照）。

さらに高圧塔１を説明する。

高圧塔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、低圧塔２内の回収部頂部２ｃ（原料供給段２ｆ）より上に配置されている濃縮部相当部分２ｇと接続されている。高圧塔１の塔底部１ａに溜まった液を、濃縮部相当部分２ｇ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。

高圧塔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、高圧塔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。

加えて、高圧塔１の棚段塔部１ｂの、配管３０が接続された位置よりも上側の段に、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、低圧塔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。

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。

本装置では、濃縮部相当部分２ｇ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た後、低圧塔２内における熱交換器８により一部又は全部が凝縮され、高圧塔１の塔底部１ａに供給される。ここに供給された流体のうち蒸気１３（図１０参照）は棚段塔部１ｂを上昇し、高圧塔１内のチューブバンドル型熱交換器８の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には低圧塔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１２と気相１１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を通って低圧塔２の液抜き部２ｄの直ぐ下の段に導入される（図７，９参照）。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。

つまり、低圧塔２の液抜き部２ｄから高圧塔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、高圧塔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、低圧塔２から高圧塔１へ重力により液体が流れ、高圧塔１の熱交換器８を経た後の流体は高圧塔１から低圧塔２へサーモサイフォン効果により循環して移動する。

上述した実施形態の蒸留装置は次のような効果を奏する。前述したようにコンプレッサー４による高温蒸気を直接低圧塔２内の熱交換器８に導入し、この熱交換器８を経た流体を高圧塔１の下部へ導入することで、低圧塔２の下部に熱を付与するとともに、高圧塔２の下部に導入すべき流体も冷やすことができる。このように配管４ａ，３０および低圧塔２内の熱交換器８を用いた第一の熱移動システム（サイド熱交換部）は、あたかも、低圧塔２の下部の段（最下段であっても、そうでなくてもよい）にサイドリボイラーが設置されると共に、高圧塔１の下部の段（最下段）にサイドコンデンサーが設置されているかのような構成である。したがって、その第一の熱移動システムを備えない蒸留装置と比べて、高圧塔１のコンデンサー７の除熱量が小さくでき、低圧塔２のリボイラー３の入熱量も小さくできる。

さらに、前述したように高圧塔１内の熱交換器８によって高圧塔１内の蒸気の熱を奪い、この熱を配管２５によって高圧塔１から低圧塔２へ移動させることもできる。このような配管２４，２５および高圧塔１内の熱交換器８を用いた第二の熱移動システム（サイド熱交換部）もまた、あたかも、高圧塔１の下部より上の段にサイドコンデンサーが設置されると共に、低圧塔２の下部より上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、その第二の熱移動システムを備えない蒸留装置と比べて、高圧塔１のコンデンサー７の除熱量が小さくでき、低圧塔２のリボイラー３の入熱量も小さくできる。

とりわけ、低圧塔の下部と高圧塔の下部の間で熱交換を可能にする上記の第一の熱移動システムが、低圧塔２内に設けられた液溜め部２ｅの熱交換器８に直接、コンプレッサー４からの高圧蒸気を導入し、これによって、その熱交換器８で凝縮された流体を高圧塔１内に送り込む構成になっている（図７）。この構成は、発明の概要の欄で説明したように、図２の装置例のような液ヘッド（水頭差）を要しないため、その分、省エネルギー性の改善が見込まれる。つまり、蒸留装置に設けられる全てのサイド熱交換部に上記第二の熱移動システムを採用しているような図５の装置構成と比べて、省エネルギー性が向上する。

さらに本実施形態によれば、前述したように濃縮部相当部分２ｇを高圧塔１の圧力より低い低圧塔２の圧力下で稼動することが出来るため、図５の装置構成と比べて、濃縮部相当部分２ｇにおける相対揮発度が大きくなることとなり、もともと分離操作に必要となるエネルギー（熱量）そのものを減らすことが出来る。

なお、図７では上記熱移動システムが２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。

上述した図７の装置は、図５の装置における回収部において最も位置的に下に配置されるサイド熱交換部と濃縮部において最も位置的に下に配置されるサイド熱交換部の間の熱交換を行う熱移動システムについて、コンプレッサー４による高温蒸気を直接、低圧塔２の回収部下部の熱交換器８に導入し、この熱交換器８を経た流体を高圧塔１の下部へ導入する方法を採用した。しかし、この方法を、図６の装置における回収部において最も下に位置するサイド熱交換部と濃縮部において最も下に位置するサイド熱交換部の間の熱交換を行う熱移動システムに対しても採用することができ、図８の装置構成のようになる。この構成は図３の装置例のような圧力損失を要しないため、図７の装置の場合と同じように省エネルギー性を改善できる。さらに、濃縮部相当部分２ｇを高圧塔１の圧力より低い低圧塔２の圧力下で稼動することが出来るため、図７の装置の場合と同じように、分離操作に必要となるエネルギー（熱量）そのものを低減できる。

また、以上に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、高圧塔や低圧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。

さらに上記実施形態（図７、図８）では、高圧塔１から低圧塔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、高圧塔１と低圧塔２の間での熱交換量の決定に関して、高圧塔１と低圧塔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。

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。

上記の実施形態（図７、図８）では、高圧塔１と、濃縮塔相当部分２ｇが含まれる低圧塔２と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、高圧塔１と、濃縮塔相当部分２ｇが含まれる低圧塔２とが別個独立で構成された形態を含むものである。

１ 濃縮塔（図７，８の態様では高圧塔と称す。）
１ａ 塔底部
１ｂ 棚段塔部（或いは充填塔部）
１ｃ 塔頂部
１ｄ 濃縮塔下部
２ 回収塔（図７，８の態様では低圧塔と称す。）
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
２ｆ 原料供給段
２ｇ 濃縮部相当部分
３ 加熱器（リボイラー）
４ コンプレッサー
４ａ 出口配管
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
９ 液溜め用トレイ
１０、１２、１４ 液
１１、１３、１８ 蒸気（ベーパー）
１５ 液溜め用棚板
１６ 仕切り板
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１ 配管
Ｘ 回収塔からの液抜き出し位置
Ｙ 濃縮塔の熱交換器設置位置

Claims (5)

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部位のうちで、最も下部に位置する熱交換部よりも上の部位に相当する高圧塔と、
   前記高圧塔から見て上方に配置され、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部位、及び前記濃縮部内で最も下部に位置する前記熱交換部よりも下側の部位に相当する濃縮部相当部分をあわせた低圧塔であり、該濃縮部相当部分が前記回収部と連続するように前記低圧塔内の回収部の頂部の上に位置する低圧塔と、
   前記高圧塔の塔底部に溜まった液を前記濃縮部相当部分へ圧送する手段を介して、前記高圧塔の塔底部と前記濃縮部相当部分とを連通させる第一の配管と、
   前記回収塔の下部内の段に配置された熱交換器と、
   前記濃縮部相当部分と前記低圧塔の下部内の前記熱交換器とを連通させる第二の配管と、
   前記第一の配管に設置され、前記高圧部相当部分からの蒸気を圧縮して前記回収塔の下部内の前記熱交換器に送るコンプレッサーと、
   前記低圧塔の下部内の前記熱交換器を経た流体を前記高圧塔の塔底部に導入する第三の配管と、
   を備えた熱交換型蒸留装置。
2. 前記第三の配管が接続された前記高圧塔の塔底部よりも上にある段に配置された第二の熱交換器と、
   前記第二の配管が接続された前記低圧塔の下部よりも上にある段に配置され、該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第二の熱交換器へ導入する第四の配管と、
   前記第四の配管を経由して前記第一の熱交換器へ導入された後に該第一の熱交換器より流出する流体を前記低圧塔の前記液抜き部の直下の段へ導入する第五の配管と、
   をさらに備えた、請求項１に記載の熱交換型蒸留装置。
3. 前記濃縮部相当部分の直下の前記回収部の前記頂部、及び／又は、前記回収部の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又は請求項２に記載の熱交換型蒸留装置。
4. 前記低圧塔の塔底部の外側に設置され、該塔底部内の液を加熱するリボイラーをさらに備えた、請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換型蒸留装置。
5. 前記高圧塔の塔頂部の外側に設置され、該塔頂部内の蒸気を冷却するコンデンサーをさらに備えた、請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換型蒸留装置。

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