JP2022011369A - 蒸留装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒートポンプを用いて省エネルギーを図るとともに、ヒートポンプに消費されるエネルギーを抑制して、さらなる省エネルギー効果を得ることが可能な蒸留装置を提供する。【解決手段】濃縮部Ａと回収部Ｂとを有する蒸留塔１と、濃縮部を通過する濃縮部ベーパを冷却する熱回収コンデンサ２０と、回収部を通過する液体を再加熱する中間リボイラＲＡと、塔底液を再加熱する塔底リボイラＲＢと、塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を塔底リボイラと中間リボイラの両方もしくは一方にリボイラ用高温水として供給する第１ヒートポンプ１ＨＰと、濃縮部ベーパの冷却に用いられ、昇温した熱回収コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を塔底リボイラと中間リボイラの両方もしくは一方にリボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプ２ＨＰとを備えた構成とする。【選択図】図１
Description
本発明は、ヒートポンプを用いてコンデンサから回収した熱をリボイラに熱移動させることにより、熱効率を向上させるようにした蒸留装置に関する。
蒸留装置における省エネルギー化の必要性は近年、益々増大しており、種々の提案が行われている。
そのような省エネルギー技術の１つとして、蒸留装置にヒートポンプを組み込んで、熱効率を向上させるようにした蒸留装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１の蒸留装置は、蒸留塔と、蒸留コンデンサと、蒸留リボイラと、蒸留コンデンサから流出した第一出力流体を蒸留塔に戻すための還流用の配管とを備える蒸留装置である。
この蒸留装置は、作動媒体（水）が蒸留コンデンサで受け取った熱を蒸留リボイラに与えるためのヒートポンプを備えている。ヒートポンプは、蒸留コンデンサと蒸留リボイラを接続するとともに作動媒体が循環する循環流路と、蒸留コンデンサで蒸発した後の作動媒体を圧縮する圧縮機と、蒸留リボイラで熱を与えた後の作動媒体を減圧（膨張）させる減圧弁とを備えた構成とされている。
そして、この蒸留装置によれば、蒸留塔の頂部から流出した第一出力流体の有する熱エネルギーが、ヒートポンプによって蒸留リボイラにおいて有効に回収され、第一出力流体の熱エネルギーの有効利用により、蒸留リボイラにおける第二出力流体の加熱に必要な熱エネルギーの削減を図ることができるとされている。
ところで、蒸留装置における省エネルギー化を図るための方法として、上述の特許文献１の蒸留装置のようにヒートポンプを利用する方法は、極めて有効な方法の一つであると考えられる。
しかしながら、蒸留塔の塔頂ベーパを冷却するためのコンデンサの冷却水から熱を回収し、加熱源としてリボイラに供給しようとすると、ヒートポンプにおける昇温幅が大きくなり、ヒートポンプとして高圧縮のタイプのものを用いることが必要となる。その結果、ヒートポンプの成績効率（ＣＯＰ）は小さくなり、省エネルギー効果も小さくなるという問題点がある。
本発明は、上記課題を解決するものであり、蒸留装置にヒートポンプを用いて省エネルギーを図るとともに、ヒートポンプに消費されるエネルギーを抑制して、さらなる省エネルギー効果を得ることが可能な蒸留装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の蒸留装置は、
低沸点成分が濃縮されて原料液よりも低沸点成分の濃度が高くなる濃縮部と、低沸点成分が分離されて原料液よりも高沸点成分の濃度が高くなる回収部とを備える蒸留塔と、
前記蒸留塔の塔頂から取り出される塔頂ベーパを、塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して、低沸点成分を主成分とする凝縮液を留出液として回収するための塔頂コンデンサと、
前記蒸留塔の前記濃縮部を通過する濃縮部ベーパを、熱回収コンデンサ用循環冷却水により冷却する熱回収コンデンサと、
前記蒸留塔の前記回収部を通過する液体を再加熱するためのリボイラである中間リボイラと、
前記蒸留塔の塔底液を再加熱するためのリボイラである塔底リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて、前記塔底リボイラと前記中間リボイラの両方もしくは一方にリボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプと、
前記熱回収コンデンサにおいて前記濃縮部ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記熱回収コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて、前記塔底リボイラと前記中間リボイラの両方もしくは一方にリボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプと
を具備することを特徴としている。
低沸点成分が濃縮されて原料液よりも低沸点成分の濃度が高くなる濃縮部と、低沸点成分が分離されて原料液よりも高沸点成分の濃度が高くなる回収部とを備える蒸留塔と、
前記蒸留塔の塔頂から取り出される塔頂ベーパを、塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して、低沸点成分を主成分とする凝縮液を留出液として回収するための塔頂コンデンサと、
前記蒸留塔の前記濃縮部を通過する濃縮部ベーパを、熱回収コンデンサ用循環冷却水により冷却する熱回収コンデンサと、
前記蒸留塔の前記回収部を通過する液体を再加熱するためのリボイラである中間リボイラと、
前記蒸留塔の塔底液を再加熱するためのリボイラである塔底リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて、前記塔底リボイラと前記中間リボイラの両方もしくは一方にリボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプと、
前記熱回収コンデンサにおいて前記濃縮部ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記熱回収コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて、前記塔底リボイラと前記中間リボイラの両方もしくは一方にリボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプと
を具備することを特徴としている。
本発明の蒸留装置においては、前記中間リボイラとして、前記回収部の、高さ方向において異なる複数の位置を通過する液体を再加熱するための、前記複数の位置に対応する複数の中間リボイラを備えているとともに、
前記第1ヒートポンプとして、前記複数の中間リボイラに対応する複数台の第１ヒートポンプを備えていること
が好ましい。
前記第1ヒートポンプとして、前記複数の中間リボイラに対応する複数台の第１ヒートポンプを備えていること
が好ましい。
また、前記中間リボイラにリボイラ用高温水を供給するための前記第１ヒートポンプに加えて、前記塔頂コンデンサにおいて用いられた前記塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、前記塔底リボイラにリボイラ用高温水として供給するための第１ヒートポンプをさらに備えていることが好ましい。
また、前記中間リボイラとして、前記回収部の、高さ方向において異なる複数の位置を通過する液体を再加熱するための、前記複数の位置に対応する複数の中間リボイラを備えているとともに、
前記第２ヒートポンプとして、前記複数の中間リボイラのうちの所定の中間リボイラにリボイラ用高温水を供給するための所定台数の第２ヒートポンプを備えている構成とすることも可能である。
前記第２ヒートポンプとして、前記複数の中間リボイラのうちの所定の中間リボイラにリボイラ用高温水を供給するための所定台数の第２ヒートポンプを備えている構成とすることも可能である。
また、前記所定の中間リボイラにリボイラ用高温水を供給するための前記第２ヒートポンプに加えて、前記熱回収コンデンサにおいて用いられた前記熱回収コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、前記塔底リボイラにリボイラ用高温水として供給するための第２ヒートポンプをさらに備えている構成とすることも可能である。
また、前記第１ヒートポンプによりリボイラ用高温水が供給されるリボイラと、前記第２ヒートポンプによりリボイラ用高温水が供給されるリボイラには、同じリボイラが含まれていてもよい。
また、本発明の蒸留装置は、前記第１ヒートポンプおよび前記第２ヒートポンプから供給される熱量が、蒸留操作を行うのに必要な熱量より少ない場合に、熱量の不足分が外部から供給される蒸気により補われるように構成してもよい。
また、本発明の蒸留装置は、蒸留操作が、加圧下、大気圧下、減圧下のいずれかで行われるように構成することが可能である。
以下、本発明の効果について説明する。例えば、従来広く用いられている、単一の蒸留塔を備えたヒートポンプ式蒸留装置において、塔頂ベーパを冷却するための塔頂コンデンサの冷却水の熱をヒートポンプにおいて回収し、回収した熱量を塔底リボイラに供給するようにした場合、塔頂ベーパと塔底液の温度差が大きくなり、ヒートポンプにおける温度レベルの上昇幅を大きくすることが必要になる。その結果、ヒートポンプにかかる負荷が大きくなり、ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）の値は小さくなり、通常はＣＯＰの値が３～５程度になることが多い。
これに対して、本発明の蒸留装置は、上述のように構成されており、塔頂コンデンサにおいて塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて、塔底リボイラと中間リボイラの両方もしくは一方にリボイラ用高温水として供給する第１ヒートポンプと、熱回収コンデンサにおいて濃縮部ベーパの冷却に用いられ、昇温した熱回収コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて、塔底リボイラと中間リボイラの両方もしくは一方にリボイラ用高温水として供給する第２ヒートポンプとを備えており、第１ヒートポンプと第２ヒートポンプの両方のヒートポンプにより、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水および熱回収コンデンサ用循環冷却水からの熱回収が行われることになる。
したがって、第１ヒートポンプおよび第２ヒートポンプにおける温度レベルの上昇幅が大きくなることを抑制することが可能になるとともに、ヒートポンプにかかる負荷を小さくして、ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）を向上させることが可能になる。
その結果、上述のような単一の蒸留塔を備えた従来のヒートポンプ式蒸留装置に比べて、省エネルギー性に優れた蒸留装置を実現することが可能になる。
すなわち、本発明の蒸留装置では、蒸留塔の濃縮部に熱回収コンデンサを設けるとともに、回収部に中間リボイラを設け、塔頂コンデンサと熱回収コンデンサで使用され、昇温した冷却水の熱を、それぞれ第１ヒートポンプおよび第２ヒートポンプに振り分け、各ヒートポンプで汲み上げた熱を、中間リボイラと塔底リボイラとに供給するようにしているので、上述のように、単一の蒸留塔を備えたヒートポンプ式蒸留装置において、塔頂コンデンサの冷却水の熱をヒートポンプにおいて回収し、回収した熱を塔底リボイラに供給するようにしただけの場合に比べて、ヒートポンプにかかる負荷を抑制して、ヒートポンプのＣＯＰを向上させる（ＣＯＰの値を３～５より大きくする）ことが可能になり、省エネルギー性に優れた蒸留装置を提供することが可能になる。
また、中間リボイラとして、回収部の、高さ方向において異なる複数の位置を通過する液体を再加熱するための、上記複数の位置に対応する複数の中間リボイラを備えているとともに、塔頂コンデンサにおいて用いられた塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、中間リボイラにリボイラ用高温水として供給するための第1ヒートポンプとして、複数の中間リボイラに対応する複数台の第１ヒートポンプを備えた構成とした場合、塔頂コンデンサで使用された冷却水が、複数台の第１ヒートポンプに振り分けられることで、複数台の第１ヒートポンプのそれぞれにかかる負荷が抑制され、ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）をさらに向上させることが可能になるとともに、各第１ヒートポンプで汲み上げた熱が、複数の中間リボイラに供給されることにより、エネルギーが効率よく用いられることになり、さらに省エネルギー性に優れた蒸留装置を実現することができる。
また、上述のように、複数台の中間リボイラとそれに対応するヒートポンプを備えた構成とすることにより、蒸留塔の高さ方向の所定の位置におけるベーパ量を制御して、蒸留塔の塔径を小さくすることが可能になり、設備コストの低減を図ることができる。
また、前記中間リボイラにリボイラ用高温水を供給するための第１ヒートポンプに加えて、塔頂コンデンサにおいて用いられた塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、塔底リボイラにリボイラ用高温水として供給するための第１ヒートポンプをさらに備えた構成とした場合、第１ヒートポンプで汲み上げた熱を、中間リボイラだけでなく、塔底リボイラにも振り分けることで、設計の自由度が向上し、さらなる省エネルギーを図ることが可能になる。
また、中間リボイラとして、回収部の、高さ方向において異なる複数の位置を通過する液体を再加熱するための、複数の位置に対応する複数の中間リボイラを備えているとともに、熱回収コンデンサにおいて用いられた熱回収コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、中間リボイラにリボイラ用高温水として供給するための第２ヒートポンプとして、複数の中間リボイラのうちの所定の中間リボイラにリボイラ用高温水を供給するための所定台数の第２ヒートポンプを備えた構成とした場合、熱回収コンデンサで使用され、昇温した冷却水が、複数台の第２ヒートポンプに振り分けられることで、複数台の第２ヒートポンプのそれぞれにかかる負荷が抑制され、ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）をさらに向上させることが可能になるとともに、各第２ヒートポンプで汲み上げた熱が、複数の中間リボイラに供給されることにより、エネルギーが効率よく用いられることになり、さらに省エネルギー性に優れた蒸留装置を実現することができる。
また、所定の中間リボイラにリボイラ用高温水を供給するための第２ヒートポンプに加えて、熱回収コンデンサにおいて用いられた熱回収コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、塔底リボイラにリボイラ用高温水として供給するための第２ヒートポンプをさらに備えた構成とした場合、第２ヒートポンプで汲み上げた熱を、中間リボイラだけでなく、塔底リボイラにも振り分けることで、設計の自由度が向上し、さらなる省エネルギーを図ることが可能になる。
また、本発明においては、第１ヒートポンプによりリボイラ用高温水が供給されるリボイラと、第２ヒートポンプによりリボイラ用高温水が供給されるリボイラには、同じリボイラが含まれているように構成してもよい。このように構成することにより、設計の自由度が向上し、本発明をより実効有らしめることができる。
なお、第１ヒートポンプによりリボイラ用高温水が供給されるリボイラと、第２ヒートポンプによりリボイラ用高温水が供給されるリボイラに同じリボイラが含まれている態様としては、
（１）複数の中間リボイラのうち、同じ中間リボイラに、第１ヒートポンプからのリボイラ用高温水と、第２ヒートポンプからのリボイラ用高温水が、供給されるように構成されている場合、
（２）第１ヒートポンプからのリボイラ用高温水と、第２ヒートポンプからのリボイラ用高温水が、一つの塔底リボイラに供給されるように構成されている場合、
（３）第１ヒートポンプからのリボイラ用高温水と、第２ヒートポンプからのリボイラ用高温水が、同じ中間リボイラと、同じ塔底リボイラの両方に供給されるように構成されている場合
などが挙げられる。
（１）複数の中間リボイラのうち、同じ中間リボイラに、第１ヒートポンプからのリボイラ用高温水と、第２ヒートポンプからのリボイラ用高温水が、供給されるように構成されている場合、
（２）第１ヒートポンプからのリボイラ用高温水と、第２ヒートポンプからのリボイラ用高温水が、一つの塔底リボイラに供給されるように構成されている場合、
（３）第１ヒートポンプからのリボイラ用高温水と、第２ヒートポンプからのリボイラ用高温水が、同じ中間リボイラと、同じ塔底リボイラの両方に供給されるように構成されている場合
などが挙げられる。
また、本発明の蒸留装置は、第１ヒートポンプおよび第２ヒートポンプから供給される熱量が、蒸留操作を行うのに必要な熱量より少ない場合に、熱量の不足分が外部から供給される蒸気により補われるように構成することで、円滑な蒸留操作を安定的に継続することが可能な蒸留装置を提供することができる。
また、本発明の蒸留装置は、蒸留操作が、加圧下、大気圧下、減圧下のいずれかで行われるように構成することが可能であり、このように構成することで、蒸気圧の低い成分や高い成分を含む種々の原料液から、目的物質を効率よく分離することが可能で、省エネルギー性の高い蒸留装置を提供することができる。
以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
本実施形態では、低沸点成分であるベンゼンと、高沸点成分であるトルエンとを含有する液（原料液）の蒸留を行い、ベンゼン（低沸点成分）を主成分とする塔頂ベーパと、ベンゼンよりもトルエン（高沸点成分）を高い割合で含有する塔底液に分離するための蒸留装置を例にとって説明する。
より具体的には、本実施形態にかかる蒸留装置は、低沸点成分であるベンゼンを５０ｗｔ％の割合で含み、残部（５０ｗｔ％）がトルエン（高沸点成分）である液温６０℃の原料液（被処理液）を１００００ｋｇ／ｈの割合で蒸留して、ベンゼンを９９．５ｗｔ％の割合で含む留出液を５０００ｋｇ／ｈ、トルエンを９９．５ｗｔ％の割合で含む缶出液を５０００ｋｇ／ｈの割合で回収することができるように構成された蒸留装置である。
以下、図１を参照しつつ、本実施形態にかかる蒸留装置の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、低沸点成分が濃縮され、原料液よりも低沸点成分の濃度が高くなる濃縮部Ａと、低沸点成分が分離されて原料液よりも高沸点成分の濃度が高くなる回収部Ｂとを有する蒸留塔１を備えている。
図１に示すように、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、低沸点成分が濃縮され、原料液よりも低沸点成分の濃度が高くなる濃縮部Ａと、低沸点成分が分離されて原料液よりも高沸点成分の濃度が高くなる回収部Ｂとを有する蒸留塔１を備えている。
蒸留塔１としては、例えば、棚段塔、充填塔など、公知の種々の構造のものを用いることが可能である。
なお、蒸留塔の塔頂への還流は、塔頂コンデンサにおける凝縮液の一部を、塔頂送液ポンプ２６を介して還流ライン３３から蒸留塔１の塔頂に戻すことにより行われる。
また、蒸留装置１００は、蒸留塔１の塔頂から取り出される、低沸点成分を主成分とする塔頂ベーパを冷却するための塔頂コンデンサ１０を備えている。
詳しくは、塔頂コンデンサ１０は、蒸留塔１の塔頂から取り出されるベンゼンを主成分とする塔頂ベーパを、塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して、低沸点成分であるベンゼンを主成分とする凝縮液（ベンゼン：９９．５ｗｔ％、トルエン：０．５ｗｔ％）を留出液として回収するためのコンデンサである。
なお、本実施形態では、塔頂コンデンサ１０として、円筒多管式熱交換器が用いられている。ただし、塔頂コンデンサ１０としては、他の構造の熱交換器を用いることも可能である。
なお、本実施形態では、塔頂コンデンサ１０として、円筒多管式熱交換器が用いられている。ただし、塔頂コンデンサ１０としては、他の構造の熱交換器を用いることも可能である。
また、蒸留装置１００は、蒸留塔１の濃縮部Ａを通過する濃縮部ベーパを、熱回収コンデンサ用循環冷却水により冷却（熱交換）して熱回収を行うための熱回収コンデンサ２０を備えている。
なお、本実施形態では、熱回収コンデンサ２０として、円筒多管式熱交換器が用いられている。ただし、熱回収コンデンサ２０としては、他の構造の熱交換器を用いることも可能である。
なお、本実施形態では、熱回収コンデンサ２０として、円筒多管式熱交換器が用いられている。ただし、熱回収コンデンサ２０としては、他の構造の熱交換器を用いることも可能である。
また、本実施形態の蒸留装置１００は、減圧下で蒸留操作が行われるように構成されている。具体的には、真空吸引手段（本実施形態では真空ポンプ）２1により、塔頂コンデンサ１０を経て真空吸引することで系内を大気圧以下の所定の圧力に調整することができるように構成されている。なお、真空ポンプ２１としては、水封式の真空ポンプが用いられている。ただし、真空ポンプの型式に制約はなく、他の型式のものを用いることも可能である。
なお、本発明の蒸留装置においては、原料液を構成する成分によって、加圧下、あるいは大気圧下で、蒸留操作が行われるように構成することも可能である。
また、蒸留装置１００は、蒸留塔１の塔底液を再加熱する塔底リボイラＲＢと、蒸留塔１の回収部Ｂを通過する液体を再加熱する中間リボイラＲＡとを備えている。
塔底リボイラＲＢは、蒸留塔１の塔底液を再加熱して蒸発させるリボイラであり、塔底リボイラＲＢで再加熱され、発生したベーパは蒸留塔１の塔底に戻されることになる。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００では、中間リボイラＲＡとして、蒸留塔１の回収部Ｂの、高さ方向において異なる複数の位置を通過する液体を再加熱するための、上記複数の位置に対応する複数の中間リボイラ（すなわち、中間リボイラＲＡ１、中間リボイラＲＡ２、中間リボイラＲＡ３、中間リボイラＲＡ４の合計４台の中間リボイラ）を備えている。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００では、塔内液循環ポンプ４１、４２、４３、４４により、蒸留塔１の回収部Ｂの、高さ方向において異なる複数の位置（４つの位置）を通過する液体のぞれぞれが、中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）に供給されて再加熱された後、蒸留塔１の回収部Ｂの高さ方向において異なる所定の位置に戻されるように構成されている。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、塔頂コンデンサ１０において、塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、塔底リボイラＲＢにリボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ５）を備えている。
さらに、蒸留装置１００は、塔頂コンデンサ１０において、塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）のそれぞれにリボイラ用高温水として供給するように構成された４台の第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４）を備えている。
すなわち、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、合計で５台の第１ヒートポンプ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ５）を備えており、１台の第１ヒートポンプ１ＨＰ５は、塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を塔底リボイラＲＢに供給するように構成され、他の４台の第１ヒートポンプ１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４はそれぞれ、塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収した熱をリボイラ用高温水として、４台の中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）に供給するように構成されている。
また、本実施形態の蒸留装置１００は、熱回収コンデンサ２０において用いられ、昇温した熱回収コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、塔底リボイラＲＢにリボイラ用高温水として供給するための第２ヒートポンプ２ＨＰを備えている。
すなわち、本実施形態の蒸留装置１００においては、塔底リボイラＲＢに対して、第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ５）と、第２ヒートポンプ２ＨＰの両方から、リボイラ用高温水が供給されるように構成されている。
言い換えると、本実施形態の蒸留装置１００では、第１ヒートポンプ１ＨＰ（本実施形態では１ＨＰ５）からリボイラ用高温水が供給されるリボイラと、第２ヒートポンプ２ＨＰからリボイラ用高温水が供給されるリボイラとが、同じリボイラ（塔底リボイラＲＢ）となるように構成されている。
なお、本発明の蒸留装置においては、熱回収コンデンサ２０で用いられた熱回収コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を塔底リボイラＲＢに供給するための第２ヒートポンプ２ＨＰに加えて、熱回収コンデンサ２０で用いられた熱回収コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を、複数の中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）のうちの所定の中間リボイラに供給するための第２ヒートポンプを備えた構成とすることも可能である。
また、本実施形態の蒸留装置１００では、第１ヒートポンプ１ＨＰおよび第２ヒートポンプ２ＨＰから供給される熱量が、蒸留操作を行うのに必要な熱量より少ない場合に、熱量の不足分が外部から供給される蒸気により補われることで、円滑な蒸留操作が確実に継続されるように構成されている。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、塔頂コンデンサ１０において用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、熱回収のために各第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ５）に送られる部分を除いた部分（残部）を冷却するための冷却手段（冷却塔）３０を備えている。
冷却塔３０で冷却された塔頂コンデンサ用循環冷却水は、冷却水循環ポンプ２５により、塔頂コンデンサ用循環冷却水供給ライン３１に戻され、各第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ５）において熱回収され、各冷水循環ポンプ６１、６２、６３、６４、６５により塔頂コンデンサ用循環冷却水供給ライン３１を経て塔頂コンデンサ１０に戻される塔頂コンデンサ用循環冷却水とともに塔頂コンデンサ１０に戻されるように構成されている。
また、熱回収コンデンサ２０において用いられ、昇温した熱回収コンデンサ用循環冷却水は、第２ヒートポンプ２ＨＰに送られて熱回収された後、冷水循環ポンプ６６により、熱回収コンデンサ用循環冷却水供給ライン３２を経て、熱回収コンデンサ２０に戻されるように構成されている。
一方、それぞれの第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４）で昇温された温水は各中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）に供給され、各中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）で使用されて温度の低下した温水は、各温水循環ポンプ５１、５２、５３、５４を介して各第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４）に戻されるように構成されている。
また、第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ５）で昇温された温水は塔底リボイラＲＢに供給され、また、第２ヒートポンプ２ＨＰで昇温された温水も塔底リボイラＲＢに供給されるように構成されている。
そして、塔底リボイラＲＢで使用されて温度の低下した温水の一部は温水循環ポンプ５５を介して第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ５）に戻され、塔底リボイラＲＢで使用されて温度の低下した温水の他の一部（残部）は、温水循環ポンプ５６を介して第２ヒートポンプ２ＨＰに戻されるように構成されている。
また、塔頂コンデンサ１０で冷却され、凝縮した、低沸点成分であるベンゼンを９９．５ｗｔ％、高沸点成分であるトルエンを０．５ｗｔ％の割合で含む凝縮液の一部は、塔頂送液ポンプ２６を介して、還流ライン３３を経て蒸留塔１の塔頂に還流液として戻され、その他の部分は留出液として回収される。
さらに、蒸留塔1の塔底から抜き出された、低沸点成分であるベンゼンを０．５ｗｔ％、高沸点成分であるトルエンを９９．５ｗｔ％の割合で含む塔底液は、塔底送液ポンプ２７を介して、塔底送液ライン３４を経て一部が塔底リボイラＲＢに送られて加熱された後、蒸留塔１の下部に戻され、塔底リボイラＲＢに送られなかった残りの塔底液は、低沸点成分であるベンゼンを０．５ｗｔ％、高沸点成分であるトルエンを９９．５ｗｔ％の割合で含む缶出液として回収されるように構成されている。
次に、本実施形態にかかる蒸留装置１００の熱回収について、図２を参照しつつ詳しく説明する。
上述のように構成された本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、図２に示すように、熱回収コンデンサ２０で濃縮部Ａを通過する濃縮部ベーパの冷却に用いられ、昇温した４０．１℃の熱回収コンデンサ用循環冷却水は、第２ヒートポンプ２ＨＰに送られて熱回収される。そして熱回収が行われて温度が３５．１℃に低下した熱回収コンデンサ用循環冷却水は、冷水循環ポンプにより熱回収コンデンサ２０に循環供給されるように構成されている。
また、図２に示すように、塔頂コンデンサ１０で塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した３６℃の塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部は、複数の第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ５）に送られて熱回収される。そして、熱回収が行われて温度が３１℃に低下した塔頂コンデンサ用循環冷却水は、冷水循環ポンプにより塔頂コンデンサ１０に循環供給されるように構成されている。
なお、図２に示すように、第１ヒートポンプ１ＨＰ５において、温度３６℃の塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収された熱は、電力により温度レベルが７４．３℃に高められ、高温水側循環水として、温水循環ポンプにより塔底リボイラＲＢに供給され、塔底リボイラＲＢの熱源として用いられるように構成されている。
また、図２に示すように、４台のヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４）において、温度３６℃の塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収された熱は、電力により温度レベルがそれぞれ６０．７℃（１ＨＰ１）、６２．５℃（１ＨＰ２）、６５．９℃（１ＨＰ３）、６９．６℃（1ＨＰ４）に高められ、高温水側循環水として、温水循環ポンプにより、対応する中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）に供給され、各中間リボイラＲＡの熱源として用いられるように構成されている。
中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）において熱源として用いられることで温度がそれぞれ５５．７℃（ＲＡ１）、５７．５℃（ＲＡ２）、６０．９℃（ＲＡ３）、６４．６℃（ＲＡ４）に低下した高温水側循環水は、温水循環ポンプにより、対応する第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４）に戻され、温度レベルが上げられた後、再び、対応する中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）に供給されるように構成されている。
なお、本実施形態においては、
（１）塔底リボイラＲＢに供給されるエネルギーは、第２ヒートポンプ２ＨＰの３５０ｋＷと、第１ヒートポンプ１ＨＰ５の１００ｋＷの合計の４５０ｋＷ、
（２）中間リボイラＲＡ１に供給されるエネルギーは、第１ヒートポンプ１ＨＰ１の２５０ｋＷ、
（３）中間リボイラＲＡ２に供給されるエネルギーは、第１ヒートポンプ１ＨＰ２の１００ｋＷ、
（４）中間リボイラＲＡ３に供給されるエネルギーは、第１ヒートポンプ１ＨＰ３の２５０ｋＷ、
（５）中間リボイラＲＡ４に供給されるエネルギーは、第１ヒートポンプ１ＨＰ４の３００ｋＷとなる。
したがって、塔底リボイラＲＢ、中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）から蒸留塔１に供給されるエネルギーの合計値は４５０ｋＷ＋２５０ｋＷ＋１００ｋＷ＋２５０ｋＷ＋３００ｋＷ＝１３５０ｋＷとなる。
（１）塔底リボイラＲＢに供給されるエネルギーは、第２ヒートポンプ２ＨＰの３５０ｋＷと、第１ヒートポンプ１ＨＰ５の１００ｋＷの合計の４５０ｋＷ、
（２）中間リボイラＲＡ１に供給されるエネルギーは、第１ヒートポンプ１ＨＰ１の２５０ｋＷ、
（３）中間リボイラＲＡ２に供給されるエネルギーは、第１ヒートポンプ１ＨＰ２の１００ｋＷ、
（４）中間リボイラＲＡ３に供給されるエネルギーは、第１ヒートポンプ１ＨＰ３の２５０ｋＷ、
（５）中間リボイラＲＡ４に供給されるエネルギーは、第１ヒートポンプ１ＨＰ４の３００ｋＷとなる。
したがって、塔底リボイラＲＢ、中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）から蒸留塔１に供給されるエネルギーの合計値は４５０ｋＷ＋２５０ｋＷ＋１００ｋＷ＋２５０ｋＷ＋３００ｋＷ＝１３５０ｋＷとなる。
また、本実施形態では、各第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ５）および、第２ヒートポンプ２ＨＰのＣＯＰ（成績効率）の値は図２に示すように、
第１ヒートポンプ１ＨＰ１のＣＯＰ：７．２
第１ヒートポンプ１ＨＰ２のＣＯＰ：６．９
第１ヒートポンプ１ＨＰ３のＣＯＰ：６．０
第１ヒートポンプ１ＨＰ４のＣＯＰ：５．６
第１ヒートポンプ１ＨＰ５のＣＯＰ：４．９
第２ヒートポンプ２ＨＰのＣＯＰ：５．５
となる。
第１ヒートポンプ１ＨＰ１のＣＯＰ：７．２
第１ヒートポンプ１ＨＰ２のＣＯＰ：６．９
第１ヒートポンプ１ＨＰ３のＣＯＰ：６．０
第１ヒートポンプ１ＨＰ４のＣＯＰ：５．６
第１ヒートポンプ１ＨＰ５のＣＯＰ：４．９
第２ヒートポンプ２ＨＰのＣＯＰ：５．５
となる。
本実施形態では、第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ５）、および、第２ヒートポンプ２ＨＰの合計６台のヒートポンプのトータルＣＯＰの平均値は、６．０（７．２＋６．９＋６．０＋５．６＋４．９＋５．５／６＝６．０）となる。したがって、本実施形態の蒸留装置１００においては、従来技術の場合のＣＯＰ３～５に対して約１．２～２倍の成績効率が得られることがわかる。
なお、本実施形態では特に図示していないが、複数の第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ５）、および、第２ヒートポンプ２ＨＰは、いずれも１台の予備機を含む台数制御およびインバータ制御によって能力調整が行われるように構成されている。
上述のように、第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ５）、および、第２ヒートポンプ２ＨＰは、いずれも１台の予備のヒートポンプが備えられているため、不測の故障に対する操業の安定性が確保され、また、運転中のメンテナンスが可能になる。
なお、本実施形態にかかる蒸留装置においては、中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）および塔底リボイラＲＢの加熱源として、第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ５）、および、第２ヒートポンプ２ＨＰで温度レベルを上昇させた高温水を用いるようにしていることから、この高温水で中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）および塔底リボイラＲＢを稼働させることができるように、真空操作を行うことにより、塔底液の沸点の調整を行っている。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、従来の単一の蒸留塔を備えたヒートポンプ式蒸留装置において通常考えられる、塔頂コンデンサの冷却水の熱をヒートポンプにより回収し、回収した熱を塔底リボイラに供給するようにした構成の場合と比べて、さらに熱回収コンデンサ２０を備えているとともに、複数の中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）を備えており、複数の第１ヒートポンプ１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ４）で回収した熱を、所定の中間リボイラＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４）に供給して、蒸留塔１の回収部Ｂの、高さ方向において異なる複数の位置を通過する液体を再加熱する（熱交換を行う）ようにしているので、蒸留塔１の、高さ方向に異なる位置における、ベーパの通過量を制御することが可能になり、蒸留塔１の回収部Ｂの高さ方向の所定の位置の塔径を小さくして、設備コストの低減を図ることができる。
上記実施形態にかかる蒸留装置１００では、蒸留塔１が、濃縮部Ａと、回収部Ｂとを有する単一の蒸留塔１である場合について説明したが、例えば、蒸留塔を、第１蒸留塔と、第２蒸留塔の２つの蒸留塔に分割することも可能である。
蒸留塔が、第１蒸留塔と、第２蒸留塔の２つの蒸留塔に分割され、第１蒸留塔の中央部に原料液が供給され、第１蒸留塔の塔頂ベーパが第２蒸留塔の塔底に供給され、第1蒸留塔の塔底から高沸点成分リッチな缶出液が回収され、第２蒸留塔の塔頂から低沸点成分リッチな留出液が回収されるように構成されている場合、上述の第１蒸留塔の原料液が供給される領域よりも下側の領域が回収部となり、第１蒸留塔の原料液が供給される領域よりも上側の領域と、第２蒸留塔の全体とが本発明における濃縮部となる。
濃縮部と回収部とは、蒸留塔（上の例では第１蒸留塔）への原料液の供給位置によって分けられることになるが、濃縮部と回収部の区別は、必ずしも厳密ではなく、例えば、原料液の供給用配管が上記第１蒸留塔に接続される位置（濃縮部と回収部を区別する基準となる位置）と実質的な差のない程度に、上記原料液の供給用配管の接続位置よりも上側の位置（すなわち、濃縮部としての機能を果たすだけの高さが確保されない程度に上記原料液の供給用配管よりも上側の位置）から、上記第１蒸留塔内を流下する液体を導出して、中間リボイラおよび第１ヒートポンプで熱回収を行うように構成した場合も、本発明の蒸留装置の範囲から除外されるものではない。
なお、上記実施形態で説明し、あるいは、図に示した、原料液、蒸留塔の塔底液、塔頂ベーパなどに関する各種の量や、温度、成分濃度、消費エネルギー、圧力などの値は、あくまでも例示であって、本発明は、それらの値が上記実施形態の値とは異なる値となる場合を排除するものではない。
また、上記実施形態では、ベンゼンとトルエンを含む原料を蒸留する場合を例にとって説明したが、原料液の種類に特別の制約はなく、種々の成分を含む原料を蒸留する場合に本発明を広く適用することが可能である。
例えば、低沸点成分は、クロロフォルム、四塩化炭素、ジクロロエタン、ジクロロエチレン、二硫化炭素、アセトン、イソプロピルアルコール、ジエチルエーテル、酢酸イソアミル、酢酸ノルマルアミル、１，４－ジオキサン、テトラヒドロフラン、トリクロロエタン、ノルマルヘキサン、メチルイソブチルケトン、ヘキサンやヘプタンを主成分とする石油ベンジン類や石油エーテル類であってもよい。
また、高沸点成分は、酢酸、ＮＭＰ（Ｎ－メチル－２－ピロリドン）、キシレン、ブタノール、イソブチルアルコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、クロルベンゼン、酢酸ノルマルブチル、１，４－ジオキサン、ジメチルホルムアミド、パークロルエチレン、メチルイソブチルケトン、メチルノルマルブチルケトンなどであってもよい。
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、発明の範囲内において、応用、変形を加えることが可能である。
１ 蒸留塔
１０ 塔頂コンデンサ
２０ 熱回収コンデンサ
３０ 冷却塔
２１ 真空吸引手段（真空ポンプ）
３１ 塔頂コンデンサ用循環冷却水供給ライン
３２ 熱回収コンデンサ用循環冷却水供給ライン
４１～４４ 塔内液循環ポンプ
５１～５６ 温水循環ポンプ
６１～６６ 冷水循環ポンプ
１００ 蒸留装置
Ａ 蒸留塔の濃縮部
Ｂ 蒸留塔の回収部
１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ４、１ＨＰ５）
第１ヒートポンプ
２ＨＰ 第２ヒートポンプ
ＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４） 中間リボイラ
ＲＢ 塔底リボイラ
１０ 塔頂コンデンサ
２０ 熱回収コンデンサ
３０ 冷却塔
２１ 真空吸引手段（真空ポンプ）
３１ 塔頂コンデンサ用循環冷却水供給ライン
３２ 熱回収コンデンサ用循環冷却水供給ライン
４１～４４ 塔内液循環ポンプ
５１～５６ 温水循環ポンプ
６１～６６ 冷水循環ポンプ
１００ 蒸留装置
Ａ 蒸留塔の濃縮部
Ｂ 蒸留塔の回収部
１ＨＰ（１ＨＰ１、１ＨＰ２、１ＨＰ３、１ＨＰ４、１ＨＰ４、１ＨＰ５）
第１ヒートポンプ
２ＨＰ 第２ヒートポンプ
ＲＡ（ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ３、ＲＡ４） 中間リボイラ
ＲＢ 塔底リボイラ
Claims (8)
- 低沸点成分が濃縮されて原料液よりも低沸点成分の濃度が高くなる濃縮部と、低沸点成分が分離されて原料液よりも高沸点成分の濃度が高くなる回収部とを備える蒸留塔と、
前記蒸留塔の塔頂から取り出される塔頂ベーパを、塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して、低沸点成分を主成分とする凝縮液を留出液として回収するための塔頂コンデンサと、
前記蒸留塔の前記濃縮部を通過する濃縮部ベーパを、熱回収コンデンサ用循環冷却水により冷却する熱回収コンデンサと、
前記蒸留塔の前記回収部を通過する液体を再加熱するためのリボイラである中間リボイラと、
前記蒸留塔の塔底液を再加熱するためのリボイラである塔底リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて、前記塔底リボイラと前記中間リボイラの両方もしくは一方にリボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプと、
前記熱回収コンデンサにおいて前記濃縮部ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記熱回収コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて、前記塔底リボイラと前記中間リボイラの両方もしくは一方にリボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプと
を具備することを特徴とする蒸留装置。 - 前記中間リボイラとして、前記回収部の、高さ方向において異なる複数の位置を通過する液体を再加熱するための、前記複数の位置に対応する複数の中間リボイラを備えているとともに、
前記第1ヒートポンプとして、前記複数の中間リボイラに対応する複数台の第１ヒートポンプを備えていること
を特徴とする請求項１記載の蒸留装置。 - 前記中間リボイラにリボイラ用高温水を供給するための前記第１ヒートポンプに加えて、前記塔頂コンデンサにおいて用いられた前記塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、前記塔底リボイラにリボイラ用高温水として供給するための第１ヒートポンプをさらに備えていることを特徴とする請求項２記載の蒸留装置。
- 前記中間リボイラとして、前記回収部の、高さ方向において異なる複数の位置を通過する液体を再加熱するための、前記複数の位置に対応する複数の中間リボイラを備えているとともに、
前記第２ヒートポンプとして、前記複数の中間リボイラのうちの所定の中間リボイラにリボイラ用高温水を供給するための所定台数の第２ヒートポンプを備えていること
を特徴とする請求項１記載の蒸留装置。 - 前記所定の中間リボイラにリボイラ用高温水を供給するための前記第２ヒートポンプに加えて、前記熱回収コンデンサにおいて用いられた前記熱回収コンデンサ用循環冷却水から回収した熱を電力により温度レベルを上げて、前記塔底リボイラにリボイラ用高温水として供給するための第２ヒートポンプをさらに備えていることを特徴とする請求項４記載の蒸留装置。
- 前記第１ヒートポンプによりリボイラ用高温水が供給されるリボイラと、前記第２ヒートポンプによりリボイラ用高温水が供給されるリボイラには、同じリボイラが含まれていることを特徴とする請求項１～５記載の蒸留装置。
- 前記第１ヒートポンプおよび前記第２ヒートポンプから供給される熱量が、蒸留操作を行うのに必要な熱量より少ない場合に、熱量の不足分が外部から供給される蒸気により補われるように構成されていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の蒸留装置。
- 蒸留操作が、加圧下、大気圧下、減圧下のいずれかで行われるように構成されていることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の蒸留装置。
Priority Applications (1)
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| JP2020112472A JP2022011369A (ja) | 2020-06-30 | 2020-06-30 | 蒸留装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020112472A JP2022011369A (ja) | 2020-06-30 | 2020-06-30 | 蒸留装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP2022011369A true JP2022011369A (ja) | 2022-01-17 |
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ID=80148125
Family Applications (1)
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| JP2020112472A Pending JP2022011369A (ja) | 2020-06-30 | 2020-06-30 | 蒸留装置 |
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-
2020
- 2020-06-30 JP JP2020112472A patent/JP2022011369A/ja active Pending
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