JP2015205248A

JP2015205248A - 蒸留装置

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Publication number: JP2015205248A
Application number: JP2014087813A
Authority: JP
Inventors: 原栄崔; Genei Sai
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2034-04-22
Also published as: JP6277845B2

Abstract

【課題】低沸点成分の流量によって蒸留塔の運転に影響を与えず、また、低沸点成分の種類によらずに外部からの入熱量を抑制する蒸留装置を提供する。
【解決手段】蒸留塔２と、リボイラ３と、リボイラ３によって気化された塔底液を蒸留塔２へ導く塔底還流流路８と、伝熱物質循環部４と、を備え、伝熱物質循環部４は、伝熱物質Ｍと、伝熱物質Ｍが流れる閉じた循環流路１１と、伝熱物質Ｍを圧縮させる圧縮機１２と、伝熱物質Ｍが流れる流路の圧力を解放させる減圧弁１３と、を有し、伝熱物質Ｍは、塔頂蒸気と熱交換させた後に圧縮機１２によって圧縮させられて、リボイラ３で加熱される前の塔底液の温度よりも温度が高められ、リボイラ３で加熱される前の塔底液と熱交換することによって少なくとも一部を気化させ、その後、減圧弁１３によって減圧させられて塔頂蒸気よりも低い温度に下げられて、塔頂蒸気と熱交換される。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部からの入熱量を抑制した省エネルギー型の蒸留装置に関する。

一般に、蒸留装置は、蒸留塔で原料を気化させ沸点の差を利用して分離する方法である。蒸留装置は、蒸留塔の下部から抜き出した塔底液の一部をリボイラで加熱し、蒸留塔内に再投入して塔底液のうち主に低沸点成分を気化させている。そして、気化した低沸点成分は、蒸留塔の頂部から蒸気として取り出したのちに凝縮機で冷却され液体として回収される。

すなわち、蒸留装置は、同一装置の下部でリボイラによって塔底液を加熱して気化させ、頂部で凝縮機によって気化させた低沸点成分を冷却しているので装置全体としてエネルギーの無駄が生じている。ここで、気化させた低沸点成分の熱を、リボイラで加熱する前の塔底液に伝達することができれば、エネルギーの無駄をなくし、リボイラへの入熱量を抑制できる。

しかし、気化させた低沸点成分は、リボイラで加熱する前の塔底液よりも温度が低いため、そのままでは熱交換をすることができない。そこで、特許文献１に記載の発明では、気化させた低沸点成分を圧縮して温度を上げ、蒸留塔の熱源として利用し、外部からの入熱量を抑えている。

特開２０１２−２３１７８２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、気化させた低沸点成分を直接圧縮して蒸留塔の熱源として利用する構成である。このため、気化させた低沸点成分の流量が安定しないと蒸留塔の運転に影響を与えるおそれがあった。

そこで、本発明は、低沸点成分の流量によって蒸留塔の運転に影響を与えずに外部からの入熱量を抑制する蒸留装置を提供することを目的とする。

本発明の蒸留装置は、被蒸留原料の蒸留が行われる蒸留塔と、前記蒸留塔から排出された塔底液の一部を加熱するリボイラと、前記リボイラによって気化された塔底液を前記蒸留塔へ導く塔底還流流路と、前記蒸留塔の塔頂部から留出する塔頂蒸気を凝縮させる伝熱物質循環部と、を備え、前記伝熱物質循環部は、熱交換を行う伝熱物質と、伝熱物質が流れる閉じた循環流路と、前記循環流路に配されて伝熱物質を圧縮させる圧縮機と、前記循環流路のうち圧縮された伝熱物質が流れる流路の圧力を解放させる減圧弁と、を有し、伝熱物質は、塔頂蒸気と熱交換させた後に前記圧縮機によって圧縮させられて、前記リボイラで加熱される前の塔底液の温度よりも温度が高められ、前記リボイラで加熱される前の塔底液と熱交換することによって少なくとも一部を気化させ、その後、前記減圧弁によって減圧させられて塔頂蒸気よりも低い温度に下げられて、塔頂蒸気と熱交換されることを特徴としている。

前記塔底還流流路は、前記リボイラで加熱される前の塔底液のうち伝熱物質によって気化された蒸気を、前記リボイラを介さずに前記蒸留塔へ戻す連絡流路を有することが好ましい。

本発明の蒸留装置によれば、低沸点成分の流量によって蒸留塔の運転に影響を与えずに外部からの入熱量を抑制することができる。

蒸留装置の概略構成図である。

以下、本発明を実施するための形態の一例（以下、実施例と略称する）を、図面を参照しながら説明する。図１は、蒸留装置１の概略構成図である。蒸留装置１は、蒸留に使用される塔状の蒸留塔２と、塔底液の一部を加熱するリボイラ３と、塔頂蒸気を凝縮する伝熱物質循環部４と、を備えている。

蒸留塔２は、例えば、水平な棚板が塔内に複数設置されて区切られた棚段塔であり、中段から被蒸留原料Ｆが連続的に供給される。蒸留塔２は、被蒸留原料Ｆの沸点の差を利用して分離を行う。蒸留塔２は、塔底の缶出流路５から高沸点成分に富んだ塔底液が得られ、塔頂の留出流路６から低沸点成分に富んだ塔頂蒸気が得られる。塔底液は、一部が熱交換流路７を通ってリボイラ３へ導かれ、残部が缶出液として次工程に導かれる。そして、低沸点成分に富んだ塔頂蒸気は、留出流路６を通って伝熱物質循環部４で冷却される。

リボイラ３は、缶出流路５から排出された塔底液の一部を加熱して気化する。そして、リボイラ３によって蒸気にされた塔底液は、リボイラ３と蒸留塔２とをつなぐ塔底還流流路８によって蒸留塔２へ戻される。液化した塔頂蒸気である留出液は、一部が還流流路１０を通って蒸留塔２の塔頂部へ還流され、残部が次工程で用いられる。

伝熱物質循環部４は、熱交換を行う伝熱物質Ｍと、伝熱物質Ｍが循環して流れる閉じた循環流路１１と、循環流路１１に配されて伝熱物質Ｍを圧縮させる圧縮機１２と、循環流路１１のうち圧縮された伝熱物質Ｍが流れる流路の圧力を解放させる減圧弁１３と、を有している。

すなわち、伝熱物質循環部４は、熱交換を行う伝熱物質Ｍが閉じた循環流路１１の内部を循環している。そして、循環流路１１には、圧縮機１２と減圧弁１３が配されている。伝熱物質Ｍは、循環流路１１の途中に配された圧縮機１２に入ると圧縮されて昇温する。そして、伝熱物質Ｍは、減圧弁１３を通ると減圧されて降温する。

ここで、循環流路１１のうち、圧縮機１２の出口から減圧弁１３までの流路を高圧側流路と呼び、減圧弁１３から圧縮機１２の入口までの流路を低圧側流路と呼ぶ。循環流路１１は、高圧側流路の一部が熱交換流路７の傍らに互いの内部を流れる流体が熱交換可能に配され、低圧側流路の一部が留出流路６の傍らに互いの内部を流れる流体が熱交換可能に配される。

低圧側流路を流れる伝熱物質Ｍは、留出流路６を流れる温度Ｔ_Ｌの塔頂蒸気と熱交換される。ここで、低圧側流路を流れる伝熱物質Ｍのうち熱交換される前の伝熱物質Ｍは、塔頂蒸気の温度Ｔ_Ｌよりも温度が低い温度Ｔ_０で熱交換される。これによって、伝熱物質Ｍは、塔頂蒸気を冷却して液化させる。

低圧側流路を流れる伝熱物質Ｍは、留出流路６を流れる塔頂蒸気と熱交換して温度Ｔ_０から温度Ｔ_１になったのち、圧縮機１２によって圧縮させられ、温度がリボイラ３で加熱される前の塔底液の温度Ｔ_Ｈよりも高い温度Ｔ_２に上げられる。その後、伝熱物質Ｍは、高圧側流路に流される。

高圧側流路を流れる伝熱物質Ｍは、熱交換流路７を流れる塔底液（リボイラ３で加熱される前の塔底液）と熱交換される。ここで、高圧側流路を流れる伝熱物質Ｍのうち熱交換される前の伝熱物質Ｍは、塔底液の温度Ｔ_Ｈよりも温度が高いＴ_２で熱交換される。これによって、伝熱物質Ｍは、熱交換流路７を流れる塔底液の少なくとも一部を気化させる。気化された塔底液は、連絡流路９から塔底還流流路８を流れて蒸留塔２へ導かれる。熱交換流路７を流れる塔底液のうち、蒸気にならなかった残部は、リボイラ３に導かれる。

高圧側流路を流れる伝熱物質Ｍは、熱交換流路７を流れる塔底液と熱交換して温度Ｔ_３になったのち、減圧弁１３を通ることによって減圧されて、温度が塔頂蒸気の温度Ｔ_Ｌよりも低い温度Ｔ_０に下げられて、低圧側流路に流される。この低圧側流路を流れる伝熱物質Ｍは、留出流路６を流れる温度Ｔ_Ｌの塔頂蒸気と熱交換される。

以上に説明した本発明の蒸留装置１は、伝熱物質循環部４が閉じた循環流路１１を有し、この循環流路１１を流れる伝熱物質Ｍを介して塔頂蒸気の熱エネルギーを、塔底液を気化させるエネルギーに用いることができる。よって、装置全体としてエネルギーの無駄をなくすことができる。

また、本発明の蒸留装置１は、循環流路１１を有する伝熱物質循環部４が蒸留塔２の流路と独立している。このため、従来技術のように塔頂蒸気そのものを蒸留塔２の熱源に使用する構成と比較して蒸留塔２に与える影響を抑えることができる。また、本発明の蒸留装置１は、従来技術のように塔頂蒸気そのものを圧縮機１２に流し込む構成と異なり被蒸留原料Ｆの種類によって圧縮機１２に損傷を与える等の影響を受けることがない。

さらに、本発明の蒸留装置１は、塔底還流流路８がリボイラ３で加熱される前の塔底液のうち伝熱物質Ｍによって気化された蒸気を、リボイラ３を介さずに蒸留塔２へ戻す連絡流路９を有している。このため、リボイラ３へ流れ込む塔底液を減らすことができ、リボイラ３を小型化できる。

以下、本発明のように伝熱物質循環部４が閉じた循環流路１１を有し、この循環流路１１を流れる伝熱物質Ｍを介して塔頂蒸気の熱エネルギーを、塔底液を気化させるエネルギーに用いる本発明の蒸留装置１の入熱と、循環流路１１を有さず、塔頂蒸気の熱エネルギーを、塔底液を気化させるエネルギーに用いない通常の蒸留装置（以下、通常の蒸留装置と呼ぶ）の入熱と、をシミュレーションソフトによって算出し、比較して本発明の効果を確認する。

シミュレーションソフトは、ASPEN Plusを用い、被蒸留原料Ｆをメタノールと水が６７対３３の組成のメタノール水溶液として１００（kg/h）で蒸留塔２に投入し、還流比を１．５、蒸留塔２の段数を１８段とした場合に、塔頂成分としてメタノール（９８．９％）が６７（kg/h）で得られ、塔底成分として水（９７．８％）が３３（kg/h）で得られるような条件で設定した。

以上の条件でシミュレーションを行った結果、通常の蒸留装置で、Boilup Ratioは２．７７、リボイラ３への必要な熱エネルギーが０．０５２（Gcal/h)であることが分かった。つまり、通常の蒸留装置は、０．０５２（Gcal/h)の入熱が必要である。

続いて、本発明の蒸留装置１の構成において、上述の条件及び、Boilup Ratioは２．７７とし、伝熱物質Ｍをアセトンとしてシミュレーションを行った。

先ず、塔頂成分の蒸発熱を、アセトンを用いて回収することを検討する。塔頂蒸気は、還流比が１．５であるため、６７＋６７×１．５＝１６７（kg/h）である。この塔頂蒸気の熱エネルギーを回収するために必要なアセトンの量を計算すると３６０（kg/h）である。

次に、このアセトンを圧縮機１２で圧縮させて温度を上げ、塔底成分と熱交換させて少なくともその一部を気化させることを検討する。ここで、圧縮したアセトンの熱量は、圧縮機１２の動力損失がないと仮定した場合、圧縮機１２の出口圧力によって決定する。

表１は、圧縮機１２の出口圧力（bar）に対する圧縮機１２への入熱（Gcal/h）、リボイラ３への入熱（Gcal/h）、圧縮機１２とリボイラ３への入熱計（Gcal/h）を示す表である。

表１によれば、例えば、アセトンを圧縮機１２の出口圧力で５（bar）とした場合、圧縮機１２への入熱が０．００９（Gcal/h）必要で、圧縮したアセトンとの熱交換によって気化しなかった塔底液を気化させる為にリボイラ３への入熱が０．００８（Gcal/h）必要である。そして、本発明の蒸留装置１は、装置全体で０．０１７（Gcal/h）の入熱が必要であることが分かる。

また、通常の蒸留装置は、先に述べたとおりリボイラ３へ０．０５２（Gcal/h)の入熱が必要である。よって、本発明の蒸留装置１は、通常の蒸留装置と比較して約三分の一の入熱で運用が可能であることが分かる。

ここで、リボイラ３によって気化される塔底成分の量は、Boilup Ratioが２．７７であるため、３３×２．７７＝９１．４（kg/h）である。アセトンを１８．７（bar）まで圧縮させると、同じ量の塔底成分を蒸発させることができる。

表１によると、その際、圧縮機１２への入熱は０．０１７（Gcal/h）必要である。リボイラ３への入熱は、当然ながら必要なくリボイラ３を省略することができる。よって、本発明の蒸留装置１は、装置全体で０．０１７（Gcal/h）の入熱が必要である。通常の蒸留装置と比較すると、本発明の蒸留装置１は、この場合も約三分の一の入熱で運用が可能である。

また、表１に示すとおり、圧縮機１２の出口圧力を１０（bar）、１５（bar）にしても装置全体への入熱は０．０１８（Gcal/h）、０．０１７（Gcal/h）であり、いずれの場合も通常の蒸留装置と比較して約三分の一の入熱で運用が可能であることが分かる。

よって、本発明の蒸留装置１は、通常の蒸留装置と比較して入熱を減らして運用が可能であることが立証された。また、本発明の蒸留装置１を運用する際は、なるべく低圧で運用することが好ましい。

なお、本発明の蒸留装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更することができる。

１蒸留装置
２蒸留塔
３リボイラ
４伝熱物質循環部
８塔底還流流路
９連絡流路
１１循環流路
１２圧縮機
１３減圧弁
Ｍ伝熱物質

Claims

被蒸留原料の蒸留が行われる蒸留塔と、
前記蒸留塔から排出された塔底液の一部を加熱するリボイラと、
前記リボイラによって気化された塔底液を前記蒸留塔へ導く塔底還流流路と、
前記蒸留塔の塔頂部から留出する塔頂蒸気を凝縮させる伝熱物質循環部と、を備え、
前記伝熱物質循環部は、熱交換を行う伝熱物質と、伝熱物質が流れる閉じた循環流路と、前記循環流路に配されて伝熱物質を圧縮させる圧縮機と、前記循環流路のうち圧縮された伝熱物質が流れる流路の圧力を解放させる減圧弁と、を有し、
伝熱物質は、塔頂蒸気と熱交換させた後に前記圧縮機によって圧縮させられて、前記リボイラで加熱される前の塔底液の温度よりも温度が高められ、前記リボイラで加熱される前の塔底液と熱交換することによって少なくとも一部を気化させ、その後、前記減圧弁によって減圧させられて塔頂蒸気よりも低い温度に下げられて、塔頂蒸気と熱交換されることを特徴とする蒸留装置。
前記塔底還流流路は、前記リボイラで加熱される前の塔底液のうち伝熱物質によって気化された蒸気を、前記リボイラを介さずに前記蒸留塔へ戻す連絡流路を有することを特徴とする請求項１に記載の蒸留装置。