JP4448572B2 - コラム及びヒートポンプを有する蒸留プラント及びその使用方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コラムと、貯留蒸発器及び排出蒸気凝縮器の間で動作するヒートポンプとを備える蒸留プラント及びその使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸留コラム内において、蒸気を生成するために貯留部に対して熱が供給される。これに対し、コラムヘッドでは、蒸気（排出蒸気）の液化のために対応する量の熱が放出される。熱伝達及び熱交換（すなわち、伝達された熱の温度上昇）によるヒートポンププロセスを通じて、貯留部での熱の供給及びヘッドでの熱の放出が結びつけられる。好ましい方法、例えば直接的な排出蒸気の圧縮は、多くの生成物において、重合、分解、腐食、低蒸気密度等の問題が生じるため採用することができない。そのような場合、従来ではヒートポンプを使用しないで蒸留が行われるか、もしくは作動媒体が補助循環中に作用する分離材料を含むヒートポンプを使用して蒸留する。熱の供給及び搬出は、貯留蒸発器もしくは排出蒸気凝縮器における間接的な熱交換によって行われる。様々な物質がヒートポンプの作動媒体として考えられる。熱力学的な理由及び環境に対する害が生じないとの理由から、水が他の材料よりも有利であるため水を使用することが望ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ヒートポンプの使用の不利な点は次のような点である。すなわち、迅速でない置換を利用した機械を用いて圧縮を行わければならないため、圧縮機の故障が長時間の動作の停止をもたらしてしまう。
【０００４】
本発明の目的は、圧縮機の故障に関する不利な点を適した手段によって排除する蒸留プラント及びその使用方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の蒸留プラントは、処理される混合物を蒸留するコラム（１）と、前記混合物を貯留しかつ蒸発させる貯留蒸発器（３）と、蒸発したヘッド生成物を凝縮する排出蒸気凝縮器（２）と、貯留蒸発器（３）及び排出蒸気凝縮器（２）の間で動作するヒートポンプ（４，５）とを備え、同ヒートポンプ（４，５）は、水蒸気を圧縮して貯留蒸発器（３）に供給するための圧縮機（４）と、制限部材（５）とを備える蒸留プラントにおいて、蒸留プラントは、ヒートポンプ（４，５）を代用するための代用装置（６，７）を備え、代用装置（６，７）は、蒸気の生成を行う熱源（６）と、冷却剤を供給するヒートシンク（７）と、熱源（６）を貯留蒸発器（３）に連結し、かつヒートシンク（７）を排出蒸気凝縮器（２）に連結する連結手段（６３，６３’，７２，７２’）とを含み、ヒートポンプ（４，５）が代用装置（６，７）よって代用される場合、熱源（６）は圧縮機（４）の代用として連結手段（６３，６３’）を介して貯留蒸発器（３）に連結され、かつヒートシンク（７）は規制部材（５）の代用として連結手段（７２，７２’）を介して排出蒸気凝縮器（２）に連結される。冷却剤としては液体（水）もしくは気体（空気）が使用される。
【０００６】
請求項２から７までは本発明の蒸留プラントの望ましい実施形態に関する。請求項８から９までは本プラントの使用方法に関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１に示されたプラントは、以下に示すように構成されている。蒸留を行うコラム１は、生成物Ｆ（すなわち処理される混合物）のためのディストリビュータ１０と、貯留部１１と、コラムヘッド１２と、架設部１１０，１２０とを備えている。排出蒸気凝縮器２（ヘッド蒸気のための凝縮器）は、ヒートポンプの蒸発器であり、貯留部２１及びチューブ束２００を備えている。ポンプ４１は前記ヒートポンプ内の凝縮された作動媒体４０を循環させる。凝縮された作動媒体４０は、排出蒸気凝縮器２内で蒸発される。貯留蒸発器３は、ヒートポンプの圧縮機であり、チューブ束３００、コラム１の貯留部１１及び循環ポンプ１３を備えている。ヒートポンプの圧縮機４及び制限部材５が備えられる。部分プラント２０は圧縮機の動作によりプロセス内に導かれるエネルギーに主に相当する過剰な熱及び不活性ガスを除去する。ヘッド生成物Ｐ”のためのタンク１４が備えられる。凝縮された生成物Ｐ”が循環ポンプ１５及び戻りライン１６を介してタンク１４から前記コラム１内に戻される。さらに、ヒートシンク７、すなわち冷却剤（特には冷却水もしくは空気）を供給する装置７、及び熱源６、すなわち蒸気（特には水蒸気）を生成する装置６が備えられている。
【０００８】
コラム１内で抽出された貯留生成物Ｐ’からの熱はさらに、熱交換器１００によって生成物Ｆに対して与えられる。生成物Ｆはコラム１に送られる前に部分プラント２０における熱供給によって予熱される。
【０００９】
圧縮機４が故障した場合、圧縮機４の接続ラインは閉塞部材（図示せず）によって閉じられる。さらに、排出蒸気凝縮器２における蒸発循環内で閉塞部材２２は同様に閉じられる。それと同時に熱源６が、破線で示される連結手段６３，６３’を介して貯留蒸発器３と連結される。ヒートシンク７は、連結手段７２，７２’を介して排出蒸気凝縮器２と連結される。そのため、圧縮機４が故障した場合、連結されていない熱交換作用、すなわち蒸気の生成及び冷却剤の供給のための代用装置６，７によって蒸留コラム１の動作を通常通り続けることができる。
【００１０】
図１のプラントを用いて、例えばスチレンは、より揮発性の高いエチルベンゼンと、少量のトルエン及びベンゼンとを含む混合物から抽出される。ほとんど揮発しないスチレンは、１０４℃（圧力１１７０ミリバール）の水蒸気によって前記蒸発器３内で加熱されて、前記貯留部１１内で１００℃で蒸発する。８２℃のヘッド１２内の排出蒸気は、７７℃の凝縮された水（蒸気圧４１６ミリバール）によって排出蒸気凝縮器２内で液化する。圧縮機４は、排出蒸気凝縮器２の貯留部２１からの水蒸気を、４１６ミリバールから１１７０ミリバールにまで圧縮する必要がある。
【００１１】
部分プラント２０内の過剰な熱の排出のために、冷却回路７と連結された冷却器を提供することが有益である。本発明において、圧縮機４の故障時に冷却回路７が冷却剤を供給する代用装置として使用される。
【００１２】
制御ユニット（図示せず）は、圧縮機４が故障するとすぐにヒートポンプから代用装置へと切り替える。
蒸気を生成するユニット６は、通常、例えば６バールもしくは１６バールの蒸気を放出するボイラである。そのため、圧力緩和部材がボイラ６と貯留蒸発器３との間の連結手段６３’中に配置されている。冷却剤を供給する前記装置７の一部としてこの種の圧力緩和部材を使用することが可能である。前記蒸気により得られるエネルギーを圧力緩和部材によって冷却力に変換することができる。これは、圧力緩和部材が蒸気ジェット圧縮機８である図２を参照して示される。
【００１３】
図２に破線で示される連結部６３，６３’，７２，７２’は、代用装置６，７を図示されない閉塞部材（図１参照）を介して蒸留コラム１に効果的に連結する連結手段である。冷却装置７は予備冷却器７１及び主冷却器７０を備えている。ヒートポンプ４，５の代用において排出蒸気凝縮器２内で暖められた冷却水は、冷却器７０内で排出蒸気凝縮器２にとって望ましい第１作動温度に冷却される前に、蒸発作用を通して予備冷却器７１内で数℃まで冷却される。予備冷却器７１内で蒸発された蒸気は、ライン７６を介して吸入されて、蒸気ジェット圧縮機としての補助圧縮機８を通過する。ボイラ６のドライブ蒸気（供給ライン６１）が１６バールの圧力を有する場合、補助圧縮機８及びおよそ６０％の比率を含む高圧蒸気を用いた上記の例（スチレン蒸留）において、１００％蒸気（１１７０ミリバール）が貯留蒸発器３における熱源として使用可能であるように４０％の低圧蒸気（およそ４００ミリバール）がライン６３内に吸い込まれる。熱の放出によって凝縮された水は、ライン６３’を介してボイラ６へと戻る。低圧蒸気の吸入物に相当する過剰な凝縮物は、ライン６７を介して冷却装置７に（実際には図示されたように冷却器７０に、もしくは、さらに好適には予備冷却器７１に）戻される。
【００１４】
排出蒸気凝縮器２は、チューブの束を有する装置として形成されてもよい。各チューブの表面で、排出蒸気は凝縮する。チューブの束を備える凝縮器の代わりにプレート凝縮器（プレートスタックを含む装置）もまた使用される。プレート圧縮機はさらに相転移を生じさせる熱交換器としても作用する。
【００１５】
過剰な熱の排出のための冷却器９は、図２のプラントにおいて排出蒸気凝縮器２に対して並列に配置されている。冷却剤は空気もしくは水である。
本発明におけるプラントは、４０℃から１２０℃の温度で分離プロセス中に生成される排出蒸気及び６０℃から１６０℃の温度で蒸発する貯留生成物とともに有機物質の混合物を蒸留するために好都合に使用される。排出蒸気の凝縮作用を貯留生成物の蒸発作用と結びつけるヒートポンププロセスが、圧縮機４によって行われる。圧縮機４は電気モータＭ、ガスモータ、スチームタービンあるいはガスタービンによって駆動される。作動媒体４０としての水を使用する場合には、望ましくはチタニウムで製造されたブレードホイールを有する１段階ターボ圧縮機が圧縮機４として使用される。
【００１６】
本発明の目的に従って、ヒートポンプ４，５を用いた動作から代用装置６，７を用いた動作への切り替えが圧縮機故障時に行われる。
代用装置６，７はまた、前記圧縮機４が動作されるより前に、貯留蒸発器３及び排出蒸気凝縮器２と連結することができるように、蒸留の開始時に使用することができる。
【００１７】
図２のプラントが電気的に駆動される圧縮機４によって駆動された場合、ヒートポンプ及び代用装置が交互に動作されることによって最適なエネルギーコストがもたらされる。例えば、昼間の電気エネルギーのコストが夜間よりも実質的に高く、かつ蒸気生成物のためのコストが比較的低い。従って、電気エネルギーのコストが高いときに代用装置と関連する動作を行えば、全体としてコストを下げることができる。そのため、エネルギーコストを抑えるため、夜間にはヒートポンプ４，５を用いた動作が行われ、昼間には代用装置６，７を用いた動作が行われる。
【００１８】
【発明の効果】
以上、詳述したように、この発明によれば圧縮機の故障時の不具合を解消するという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における蒸留プラントの図。
【図２】第２実施形態における蒸留プラントの図。
【符号の説明】
１…コラム、２…排出蒸気凝縮器、３…貯留蒸発器、４，５…ヒートポンプ、６，７…代用装置、８…蒸気ジェット圧縮機、９…冷却器、６３，６３‘，７２，７２’…連結手段、Ｍ…電気モータ。

Claims (9)

1. 処理される混合物を蒸留するコラム（１）と、前記混合物を貯留しかつ蒸発させる貯留蒸発器（３）と、蒸発したヘッド生成物を凝縮する排出蒸気凝縮器（２）と、貯留蒸発器（３）及び排出蒸気凝縮器（２）の間で動作するヒートポンプ（４，５）とを備え、同ヒートポンプ（４，５）は、水蒸気を圧縮して貯留蒸発器（３）に供給するための圧縮機（４）と、制限部材（５）とを備える蒸留プラントにおいて、
   蒸留プラントは、ヒートポンプ（４，５）を代用するための代用装置（６，７）を備え、代用装置（６，７）は、蒸気の生成を行う熱源（６）と、冷却剤を供給するヒートシンク（７）と、熱源（６）を貯留蒸発器（３）に連結し、かつヒートシンク（７）を排出蒸気凝縮器（２）に連結する連結手段（６３，６３’，７２，７２’）とを含み、ヒートポンプ（４，５）が代用装置（６，７）よって代用される場合、熱源（６）は圧縮機（４）の代用として連結手段（６３，６３’）を介して貯留蒸発器（３）に連結され、かつヒートシンク（７）は規制部材（５）の代用として連結手段（７２，７２’）を介して排出蒸気凝縮器（２）に連結されることを特徴とする蒸留プラント。
2. ヒートポンプ（４，５）の熱交換用の作動媒体として水が使用されることを特徴とする請求項１に記載の蒸留プラント。
3. 前記ヘッド生成物の過剰な熱を除去するための冷却器（９）が設けられ、その冷却器（９）は冷却回路と接続され、その冷却回路が冷却剤を供給するためのヒートシンク（７）に接続されることを特徴とする請求項２に記載の蒸留プラント。
4. ヒートポンプ（４，５）から代用装置（６，７）への切り替えが制御ユニットによって行われることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の蒸留プラント。
5. 蒸気の生成のための熱源（６）はボイラーであり、蒸気ジェット圧縮機（８）がボイラー（６）と貯留蒸発器（３）との間の連結手段（６３，６３’，７２，７２’）に設けられ、蒸気ジェット圧縮機（８）が冷却剤の供給のための装置であり、前記蒸気ジェット圧縮機（８）はボイラー（６）の蒸気より得られる利用可能なエネルギーを有効利用することを特徴とする請求項２又は３に記載の蒸留プラント。
6. 排出蒸気凝縮器（２）はチューブ束もしくはプレートスタックを有する装置であり、チューブ束もしくはプレートスタックの表面において、排出蒸気が凝縮することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の蒸留プラント。
7. 前記冷却剤は、冷却液又は冷却ガスからなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の蒸留プラント。
8. 有機物質の混合物が液体の状態でコラム（１）に送り込まれ、４０℃から１２０℃の温度を有する排出蒸気及び６０℃から１６０℃の温度を有する貯留生成物が蒸留分離中に生成され、ヒートポンプ（４，５）は熱交換及び熱伝達のために使用され、ヒートポンプの圧縮機（４）は電気モータ（Ｍ）、ガスモータ、スチームタービンもしくはガスタービンによって駆動され、圧縮機は１段階ターボ圧縮機であり、水は熱交換用の作動媒体として使用され、圧縮機（４）の故障時にはヒートポンプ（４，５）が代用装置（６，７）によって切り替えて代用されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の蒸留プラントの使用方法。
9. 蒸留開始時に、代用装置（６，７）は貯留蒸発器（３）及び排出蒸気凝縮器（２）に接続されることを特徴とする請求項８に記載の蒸留プラントの使用方法。

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