JP5656057B2

JP5656057B2 - 分離プロセスモジュール

Info

Publication number: JP5656057B2
Application number: JP2010187252A
Authority: JP
Inventors: 長尾　正基; 正基長尾; 浩志國清; 房雄増田; 松田　一夫; 一夫松田; 芳一広地; 蛙石　健一; 健一蛙石; 修広畑; 寂樹甘蔗; 堤　敦司; 敦司堤; 千尋伏見
Original assignee: Chiyoda Corp; University of Tokyo NUC; JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Chiyoda Corp; University of Tokyo NUC; Eneos Corp
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: JP2012045449A

Description

本発明は、分離プロセスモジュールに関する。

蒸留塔の塔頂蒸気を全て圧縮機で昇圧した後、リボイラに供給することによって熱回収を行う蒸留装置が知られている（例えば特許文献１，２参照）。

また、蒸留塔の塔頂蒸気を分岐して、一方の塔頂蒸気を第１圧縮機で昇圧した後、リボイラに供給することによって熱回収を行い、他方の塔頂蒸気を第２圧縮機で昇圧した後、蒸留塔に供給される流体と熱交換することによって熱回収を行う蒸留装置が知られている（例えば特許文献３参照）。

特開昭６０−１９７３１号公報特許第３１２８８０９号公報特開２０１０−３６０５７号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に記載された蒸留装置では、塔頂蒸気を全て圧縮機で昇圧して一部をリボイラに供給し、残部をそのまま系外に出力しているので、熱回収が不十分であり、系外に出力される塔頂蒸気が依然として高いエネルギーを有している。そのため、省エネルギー効果は不十分である。

また、上記特許文献３に記載された蒸留装置では、熱交換によって高い省エネルギー効果が得られるものの、エネルギー損失を最小化するためには２つの圧縮機が必要になる。そのため、プロセスが複雑化し費用も高くなる。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、高い省エネルギー効果が得られると共にシンプルな構造を有する分離プロセスモジュールを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の分離プロセスモジュールは、第１成分及び前記第１成分とは異なる第２成分を含む入力流体が入力される入力端と、前記入力端に入力された前記入力流体を、気体の前記第１成分を含む第１出力流体と、液体の前記第２成分を含む第２出力流体とに分離する分離器と、前記分離器から出力された前記第１出力流体を圧縮することによって昇温させる圧縮機と、前記分離器から出力された前記第２出力流体と、前記圧縮機によって圧縮された前記第１出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、前記入力流体と、前記圧縮機によって圧縮された前記第１出力流体との間で熱交換を行う第２熱交換器と、前記第２熱交換器を通過した前記第１出力流体を出力する第１出力端と、前記分離器から出力された前記第２出力流体を出力する第２出力端と、を備え、前記第１熱交換器を通過した前記第１出力流体と、前記第１熱交換器を通過した前記第２出力流体とが、前記分離器に入力される。

本発明の分離プロセスモジュールでは、第１出力流体及び第２出力流体をそれぞれ第１出力端及び第２出力端から系外に出力すると共に、分離器から出力された第１出力流体及び第２出力流体を分離器に還流させることができる。その際、第１熱交換器において、第２出力流体が、圧縮機によって圧縮された第１出力流体によって昇温される。

この場合、圧縮機によって第１出力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事が必要になるが、第２出力流体を別途ボイラー等の加熱炉で加熱する必要は殆どなくなる。

また、圧縮機によって圧縮された第１出力流体を、そのまま系外に出力するのではなく、第２熱交換器において入力流体と熱交換させることによってエネルギーを回収することができる。このため、本発明の分離プロセスモジュールでは、高い省エネルギー効果を得ることができる。

さらに、本発明の分離プロセスモジュールでは、複数の圧縮機を用いて、第１熱交換器及び第２熱交換器にそれぞれ送られる第１出力流体を別々に圧縮する必要がなく、圧縮機を１台（単一の圧縮機）にすることができる。このため、本発明の分離プロセスモジュールでは、構造をシンプルにして製造コストを低減することができる。

上記分離プロセスモジュールは、前記分離器から出力された前記第２出力流体を加熱する加熱装置を更に備え、前記加熱装置により加熱された前記第２出力流体が、前記分離器に入力され、前記加熱装置に入力される前記第２出力流体の温度が、前記第１熱交換器に入力される前記第２出力流体の温度よりも高いことが好ましい。

この場合、第１熱交換器に入力される第２出力流体の温度を低くできるので、熱交換する相手となる第１出力流体の温度を低くできる。よって、圧縮機により第１出力流体を昇温させる際に、第１出力流体の温度をそれ程高くする必要がなくなる。その結果、圧縮機の負荷が小さくなる。また、加熱装置で第２出力流体を加熱する際にも、第１熱交換器によって回収されるエネルギー分だけ省エネルギー効果が得られる。

上記分離プロセスモジュールは、前記圧縮機と前記第１熱交換器との間において、前記圧縮機によって圧縮された前記第１出力流体を冷却する冷却装置を更に備えることが好ましい。

この場合、第１熱交換器に供給される第１出力流体の温度を低下させて、第１熱交換器に供給されるエネルギー量を安定化することができるので、分離器の運転圧力が安定する。

上記分離プロセスモジュールは、前記分離器から出力された前記第２出力流体と、前記入力流体との間で熱交換を行う第３熱交換器を更に備え、前記第３熱交換器を通過した前記入力流体は前記第２熱交換器に入力され、前記第３熱交換器を通過した前記第２出力流体は前記第２出力端に入力されることが好ましい。

この場合、第３熱交換器Ｈ３において、第２出力流体の顕熱を、入力流体によって回収することができる。よって、省エネルギー効果が高くなる。

なお、上記構成要素を任意に組み合わせてもよいし、本発明の表現を方法、コンピュータプログラム、当該コンピュータプログラムが記録された記録媒体としてもよい。

本発明によれば、高い省エネルギー効果が得られると共にシンプルな構造を有する分離プロセスモジュールが提供される。

第１実施形態に係る分離プロセスモジュールを模式的に示す図である。第２実施形態に係る分離プロセスモジュールを模式的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）

図１は、第１実施形態に係る分離プロセスモジュールを模式的に示す図である。図１に示される分離プロセスモジュール１００は、入力端Ｉ、分離器Ｓ、圧縮機Ｃ、第１熱交換器Ｈ１、第２熱交換器Ｈ２、第３熱交換器Ｈ３、第１出力端Ｅ１及び第２出力端Ｅ２を備える。

入力端Ｉには、第１成分及び第１成分とは異なる第２成分を含む入力流体が入力される。入力流体は、例えば液体の第１成分と液体の第２成分とを含む。第１成分及び第２成分は、気体、液体、気液混合物のいずれであってもよい。第１成分と第２成分とは、例えば沸点が異なる。一実施例において、入力流体は、第１成分としてベンゼン、第２成分としてトルエンを含む混合液である。

入力端Ｉに入力された入力流体は、配管１を通ってポンプＰ１に到達する。ポンプＰ１に到達した入力流体は、昇圧され、配管２を通って第３熱交換器Ｈ３に到達する。第３熱交換器Ｈ３を通過した入力流体は、配管３を通って第２熱交換器Ｈ２に到達する。第２熱交換器Ｈ２を通過した入力流体は、配管４を通って分離器Ｓに到達する。

分離器Ｓは、入力流体を、気体の第１成分を含む第１出力流体と、第２成分を含む第２出力流体とに分離する。第１出力流体は例えば留出蒸気等であり、第２出力流体は例えば缶出液である。分離器Ｓは、気液分離器であることが好ましく、例えば蒸留塔、膜分離器、吸着分離器、フラッシュドラム等である。また、分離器Ｓは例えばフラッシュドラム等の単段の分離器であってもよいし、多段の分離器であってもよい。

分離器Ｓから出力される第１出力流体は、例えば気体の第１成分を含み、配管５を通って圧縮機Ｃに到達する。圧縮機Ｃは、分離器Ｓから出力された第１出力流体を圧縮することによって昇温させる。圧縮機Ｃは、例えばターボ圧縮機である。圧縮機Ｃの圧縮比は１．５〜５であることが好ましい。圧縮機Ｃは、第１出力流体の温度を１０〜５０℃上昇させることが好ましい。圧縮機Ｃは、第１出力流体を断熱圧縮することができる。圧縮機Ｃによって圧縮された第１出力流体は、配管６を通って分岐部Ｊ１に到達する。

分岐部Ｊ１に到達した第１出力流体は、配管１１を通って第１熱交換器Ｈ１に到達すると共に、配管７を通って第２熱交換器Ｈ２に到達する。

一方、分離器Ｓから出力される第２出力流体は、配管１５を通って分岐部Ｊ２に到達する。分離器Ｓから出力される第２出力流体は、例えば液体の第２成分を含む。分岐部Ｊ２に到達した第２出力流体は、配管１６を通って第１熱交換器Ｈ１に到達すると共に、配管１８を通ってポンプＰ２に到達する。

第１熱交換器Ｈ１は、圧縮機Ｃによって圧縮された第１出力流体と、分離器Ｓから出力された第２出力流体との間で熱交換を行う。本実施形態において、第１熱交換器Ｈ１は、分岐部Ｊ２によって分岐された第２出力流体と、分岐部Ｊ１によって分岐された第１出力流体との間で熱交換を行う。第１熱交換器Ｈ１は、例えばボトムリボイラ又はサイドリボイラ等のリボイラである。

第１熱交換器Ｈ１を通過した第１出力流体は、配管１２を通ってバルブＶ１に到達する。バルブＶ１は、第１熱交換器Ｈ１を通過した第１出力流体の圧力を、配管５を通る第１出力流体の圧力と同程度まで低下させる。バルブＶ１を通過した第１出力流体は、配管１３を通って冷却器Ｌ１に到達する。冷却器Ｌ１によって冷却された第１出力流体は、配管１４を通って分離器Ｓに戻る。一方、第１熱交換器Ｈ１を通過した第２出力流体は、配管１７を通って分離器Ｓに戻る。

第２熱交換器Ｈ２は、圧縮機Ｃによって圧縮された第１出力流体と、入力流体との間で熱交換を行う。第２熱交換器Ｈ２を通過した第１出力流体は、液体の第１成分を含んでいることが好ましい。この場合、第２熱交換器Ｈ２において、第１出力流体が気体から液体に相変化する際の潜熱を、入力流体によって回収することができる。よって、省エネルギー効果が高くなる。第２熱交換器Ｈ２では、圧縮機Ｃによって圧縮された第１出力流体の温度と第２熱交換器Ｈ２を通過した入力流体との差（温度差Ａ）が、第２熱交換器Ｈ２を通過した第１出力流体の温度と第２熱交換器Ｈ２に入力される入力流体の温度との差（温度差Ｂ）と略同じであることが好ましい。この場合、第２熱交換器Ｈ２において、効率よく熱交換することができる。

第２熱交換器Ｈ２を通過した第１出力流体は、配管８を通ってバルブＶ２に到達する。バルブＶ２は、第２熱交換器Ｈ２を通過した第１出力流体の圧力を、例えば標準圧力まで低下させる。バルブＶ２を通過した第１出力流体は、配管９を通って冷却器Ｌ２に到達する。第１出力流体は、冷却器Ｌ２によって例えば標準温度まで冷却される。冷却器Ｌ２によって冷却された第１出力流体は、配管１０を通って第１出力端Ｅ１に到達する。第１出力端Ｅ１は、第２熱交換器Ｈ２を通過した第１出力流体を出力する。

また、分離器Ｓから出力され、ポンプＰ２によって昇圧された第２出力流体は、配管１９を通って第３熱交換器Ｈ３に到達する。第３熱交換器Ｈ３は、分離器Ｓから出力された第２出力流体と、入力流体との間で熱交換を行う。第３熱交換器Ｈ３を通過する前後の第２出力流体は、例えば液体の第２成分を含んでいる。この場合、第３熱交換器Ｈ３において、第２出力流体の顕熱を、入力流体によって回収することができる。よって、省エネルギー効果が高くなる。

第３熱交換器Ｈ３を通過した第２出力流体は、配管２０を通って冷却器Ｌ３に到達する。第２出力流体は、冷却器Ｌ３によって例えば標準温度まで冷却される。冷却器Ｌ３によって冷却された第２出力流体は、配管２１を通って第２出力端Ｅ２に到達する。第２出力端Ｅ２は、分離器Ｓから出力され、第３熱交換器Ｈ３を通過した第２出力流体を出力する。

本実施形態に係る分離プロセスモジュール１００では、第１出力流体及び第２出力流体をそれぞれ第１出力端Ｅ１及び第２出力端Ｅ２から系外に出力すると共に、分離器Ｓから出力された第１出力流体及び第２出力流体を分離器Ｓに還流させることができる。その際、第１熱交換器Ｈ１において、第２出力流体が、圧縮機Ｃによって圧縮された第１出力流体によって昇温される。

この場合、圧縮機Ｃによって第１出力流体を圧縮する際に所定エネルギーの仕事が必要になるが、第２出力流体を別途ボイラー等の加熱炉で加熱する必要は殆どなくなる。

また、分離器Ｓから出力された第１出力流体を、そのまま系外に出力するのではなく、第２熱交換器Ｈ２において入力流体と熱交換させることによってエネルギーを回収することができる。このため、本実施形態に係る分離プロセスモジュール１００では、高い省エネルギー効果を得ることができる。

さらに、本実施形態に係る分離プロセスモジュール１００では、複数の圧縮機を用いて、第１熱交換器Ｈ１及び第２熱交換器Ｈ２にそれぞれ送られる第１出力流体を別々に圧縮する必要がなく、圧縮機Ｃを１台（単一の圧縮機Ｃ）にすることができる。このため、本実施形態に係る分離プロセスモジュール１００では、構造をシンプルにして製造コスト及び運転コストを低減することができる。
（第２実施形態）

図２は、第２実施形態に係る分離プロセスモジュールを模式的に示す図である。図２に示される分離プロセスモジュール２００は、加熱装置Ｌ５及び冷却装置Ｌ４を更に備え、第１熱交換器Ｈ１の配置が変更された点以外は、図１に示される分離プロセスモジュール１００と同様の構成を備えている。

本実施形態では、分離器Ｓから出力されて分岐部Ｊ２に到達した第２出力流体が、配管１６を通って加熱装置Ｌ５に到達する。加熱装置Ｌ５は、分離器Ｓから出力された第２出力流体を加熱する。加熱装置Ｌ５により加熱された第２出力流体は、配管１７を通って分離器Ｓに戻る。加熱装置Ｌ５は、例えばスチームである。

分離器Ｓから出力された第２出力流体は、配管１５ａを通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。第１熱交換器Ｈ１を通過した第２出力流体は、配管１７ａを通って分離器Ｓに戻る。

ここで、配管１６を通って加熱装置Ｌ５に入力される第２出力流体の温度は、配管１５ａを通って第１熱交換器Ｈ１に入力される第２出力流体の温度よりも高くなっている。このため、第１熱交換器Ｈ１に入力される第２出力流体の温度を低くできるので、熱交換する相手となる第１出力流体の温度を低くできる。よって、圧縮機Ｃにより第１出力流体を昇温させる際に、第１出力流体の温度をそれ程高くする必要がなくなる。その結果、圧縮機Ｃの負荷が小さくなる。また、加熱装置Ｌ５で第２出力流体を加熱する際にも、第１熱交換器Ｈ１によって回収されるエネルギー分だけ省エネルギー効果が得られる。

また、本実施形態では、分岐部Ｊ１に到達した第１出力流体が、配管１１を通って冷却装置Ｌ４に到達する。冷却装置Ｌ４は、圧縮機Ｃと第１熱交換器Ｈ１との間において、圧縮機Ｃによって圧縮された第１出力流体を冷却する。冷却装置Ｌ４は、加熱装置Ｌ５によって第２出力流体に与えられたエネルギー量と略同じエネルギー量を系外に排出する。冷却装置Ｌ４は、例えばトリムクーラーである。冷却装置Ｌ４により冷却された第１出力流体は、配管１１ａを通って第１熱交換器Ｈ１に到達する。冷却装置Ｌ４を用いると、第１熱交換器Ｈ１に供給される第１出力流体の温度を低下させて、第１熱交換器Ｈ１に供給されるエネルギー量を安定化することができるので、分離器Ｓの運転圧力が安定する。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、分離プロセスモジュール１００，２００は、第３熱交換器Ｈ３を備えなくてもよい。また、分離プロセスモジュール２００は、加熱装置Ｌ５及び冷却装置Ｌ４のいずれか一方を備えなくてもよい。

図１に示される分離プロセスモジュール１００の一実施例を以下に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。

配管１の入力流体の温度は２５℃、圧力は０．１０ＭＰａ、流量は８．８ｔ／ｈであった。ポンプＰ１で加えられたエネルギーは０．０００４ＭＷであった。配管２の入力流体の温度は２５℃、圧力は０．２３ＭＰａであった。第３熱交換器Ｈ３で熱交換されたエネルギーは０．０６４ＭＷであった。配管３の入力流体の温度は４１℃、圧力は０．１９ＭＰａであった。第２熱交換器Ｈ２で熱交換されたエネルギーは１．０３１ＭＷであった。配管４の入力流体の温度は９７℃、圧力は０．１４ＭＰａであった。

配管５の第１出力流体の温度は８６℃、圧力は０．１２ＭＰａ、流量は２４．５ｔ／ｈであった。圧縮機Ｃ（コンプレッサー効率６５％）で加えられたエネルギーは０．６８２ＭＷであった。配管７の第１出力流体の温度は１６３℃、圧力は０．６８ＭＰａであった。配管８の第１出力流体の温度は８２℃、圧力は０．６３ＭＰａであった。冷却器Ｌ２によって除去されたエネルギーは０．２０１ＭＷであった。配管１０の第１出力流体の温度は２５℃、圧力は０．１０ＭＰａ、流量は７．４ｔ／ｈであった。

配管１１の第１出力流体の温度は１６３℃、圧力は０．６８ＭＰａ、流量は１７．１ｔ／ｈであった。第１熱交換器Ｈ１で熱交換されたエネルギーは１．８５７ＭＷであった。配管１２の第１出力流体の温度は１３６．３℃、圧力は０．６３ＭＰａであった。冷却器Ｌ１によって除去されたエネルギーは０．４７５ＭＷであった。配管１４の第１出力流体の温度は８６℃、圧力は０．１２ＭＰａであった。

配管１６の第２出力流体の温度は１２５．０℃、圧力は０．１４９ＭＰａ、流量は１８．５ｔ／ｈであった。配管１７の第２出力流体の温度は１２９℃、圧力は０．１５ＭＰａであった。ポンプＰ２で加えられたエネルギーは０．０００ＭＷであった。配管１９の第２出力流体の温度は１２５℃、圧力は０．２０ＭＰａであった。配管２０の第２出力流体の温度は３５℃、圧力は０．１５ＭＰａであった。冷却器Ｌ３によって除去されたエネルギーは０．００６ＭＷであった。配管２１の第２出力流体の温度は２５℃、圧力は０．１０ＭＰａ、流量は１．４ｔ／ｈであった。

上記実施例では、エネルギー入力が０．６８２ＭＷ（２４．４％）であった。

Ｉ…入力端、Ｓ…分離器、Ｃ…圧縮機、Ｈ１…第１熱交換器、Ｈ２…第２熱交換器、Ｈ３…第３熱交換器、Ｅ１…第１出力端、Ｅ２…第２出力端、Ｌ４…冷却装置、Ｌ５…加熱装置、１００，２００…分離プロセスモジュール。

Claims

第１成分及び前記第１成分とは異なる第２成分を含む入力流体が入力される入力端と、
前記入力端に入力された前記入力流体を、気体の前記第１成分を含む第１出力流体と、液体の前記第２成分を含む第２出力流体とに分離する分離器と、
前記分離器から出力された前記第１出力流体を圧縮することによって昇温させる圧縮機と、
前記分離器から出力された前記第２出力流体と、前記圧縮機によって圧縮された前記第１出力流体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
前記入力流体と、前記圧縮機によって圧縮された前記第１出力流体であって前記第１熱交換器と熱交換を行った前記第１出力流体とは別の前記第１出力流体との間で熱交換を行う第２熱交換器と、
前記第２熱交換器を通過した前記第１出力流体を出力する第１出力端と、
前記分離器から出力された前記第２出力流体であって前記第１熱交換器と熱交換を行った前記第２出力流体とは別の前記第２出力流体を出力する第２出力端と、
を備え、
前記第１熱交換器を通過した前記第１出力流体と、前記第１熱交換器を通過した前記第２出力流体とが、前記分離器に入力される、分離プロセスモジュール。
前記分離器から出力された前記第２出力流体であって前記第１熱交換器と熱交換を行った前記第２出力流体とは別の前記第２出力流体を加熱する加熱装置を更に備え、
前記加熱装置により加熱された前記第２出力流体が、前記分離器に入力され、
前記加熱装置に入力される前記第２出力流体の温度が、前記第１熱交換器に入力される前記第２出力流体の温度よりも高い、請求項１に記載の分離プロセスモジュール。
前記圧縮機と前記第１熱交換器との間において、前記圧縮機によって圧縮された前記第１出力流体を冷却する冷却装置を更に備える、請求項１又は２に記載の分離プロセスモジュール。
前記分離器から出力された前記第２出力流体であって前記第１熱交換器と熱交換を行った前記第２出力流体とは別の前記第２出力流体と、前記入力流体との間で熱交換を行う第３熱交換器を更に備え、前記第３熱交換器を通過した前記入力流体は前記第２熱交換器に入力され、前記第３熱交換器を通過した前記第２出力流体は前記第２出力端に入力される、請求項１に記載の分離プロセスモジュール。