JP5756900B2

JP5756900B2 - 蒸留装置

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Publication number: JP5756900B2
Application number: JP2013527419A
Authority: JP
Inventors: 堤　敦司; 敦司堤; 堤　香津雄; 香津雄堤
Original assignee: University of Tokyo NUC; Exergy Power Systems Inc
Current assignee: University of Tokyo NUC; Exergy Power Systems Inc
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2013-01-12
Publication date: 2015-07-29
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Description

本発明は、作動媒体の自己熱再生技術を利用した蒸留装置および蒸留方法に関し、詳しくは、廃棄される熱を抑えて、系全体のエクセルギー率を向上した蒸留装置および蒸留方法に関する。

従来、発電装置や加熱装置において、種々のプラントが提案されている。蒸気プラントは、ボイラーで燃料を燃焼させて蒸気を発生させ、この蒸気が蒸気タービンに導かれ、発電機を駆動して発電する（例えば、特許文献１参照）。蒸気タービンを出た蒸気は、復水器に導かれ、凝縮されて水に戻る。蒸気を凝縮する冷媒には、海水が使われることが多い。

ガスタービンは、天然ガスを高圧に圧縮した後、燃焼器で燃焼させて、高温高圧の燃焼ガスを生成する。そして、燃焼ガスはガスタービンに導かれ、発電機が駆動され、発電される。ガスタービンを出た排気ガスは、蒸気発生器に導かれた後、大気に放出される（例えば、特許文献２参照）。

ディーゼルエンジンは、液体燃料をエンジン内部で燃焼させて、発生した動力により発電機が駆動され、発電される。ディーゼルエンジンから出た排気ガスは、蒸気発生器に導かれてそのエネルギーが回収されることもあるが、最終的には大気に放出される（例えば、特許文献３参照）。

特開２００３−２６９１１３号公報特開２００４−０２２２３０号公報特開２００８−１１５７２３号公報

蒸気タービン、ガスタービンおよびディーゼルエンジンに代表される原動機は、作動流体を燃焼させることにより駆動動力を得ている。原動機において、その作動流体の有する熱エネルギーは、最終的には廃棄されている。すなわち、蒸気タービンにおいては、排気蒸気の有する潜熱は、復水器で廃棄される。ガスタービン、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスは、最終的に大気に放出されて、十分有効に利用されているとはいえない。

（１．従来の多重効用蒸発缶）
図１Ｂに示す従来の多重効用蒸発缶１１０は、各蒸発缶を異なる圧力で運転して、蒸発潜熱を次の缶の蒸発潜熱として利用するカスケード利用方法をとる。

入力流体が、順次、蒸発缶１１１、１１２、１１３に流入して、気体である出力流体が、順次、蒸発缶１１１、１１２、１１３の塔頂から出力される。このとき、蒸発缶１１１は、加熱源であってボイラーとして機能する。

蒸発缶１１１、１１２の塔頂から出た出力流体は、次段の蒸発缶１１２、１１３に流入して、蒸発缶１１２、１１３を加熱し、その後廃棄される。最終的には、蒸発缶１１３の塔底から出力される液体である出力流体は、配管１１５から回収される。一方、第三蒸発缶１１３の塔頂から出た出力流体は、冷却器１１４で冷却された後、回収される。

このように、多重効用蒸発缶１１０は、加熱した熱量（エネルギー）の多くが、蒸発缶を加熱後に、低温の廃熱として系外に捨てられる。

（２．従来のフラッシュ蒸留装置）
図２Ｂに示す従来のフラッシュ蒸留装置１２０は、ベンゼン５０％とトルエン５０％の混合液を入力流体ａとする。この入力流体ａが、加熱炉１２６で加熱され、フラッシュカラム１２７に導入される。フラッシュカラム１２７の塔頂から低沸点成分であるベンゼンを多く含んだ蒸気ｂ１と、塔底からトルエンを多く含んだ液ｂ２とが得られる。

フラッシュカラム１２７の塔頂から出た蒸気ｂ１は、第一熱交換器１２４で入力流体ａと熱交換された後、冷却器１２８で冷却されて、液化される。フラッシュカラム１２７の塔底から出た液ｂ２は、第二熱交換器１２５で入力流体ａと熱交換された後、回収される。

図２Ｂの例では、それぞれ、第一熱交換器１２４で１２０ｋＷ，第二熱交換器１２５で１３１ｋＷの顕熱が回収される。しかし、加熱炉１２６で潜熱分の４８８ｋＷの加熱を必要とする。

（３．従来の海水淡水化プラント）
図３Ｂに示す従来の海水淡水化プラント１３０は、多段フラッシュ法による海水淡水化プラントの一例である。

海水である入力流体ａは、複数の熱交換器１３１を通過した後、加熱器１３３で加熱されて、最も端のフラッシュドラム１３２に流入する。そして、フラッシュドラム１３２に流入した入力流体ａは、フラッシュドラム１３２の塔頂から出力される蒸気ｂ１と、フラッシュドラム１３２の塔底から出力される液ｃ１とに分離される。

これらの操作が複数段おこなわれて、各フラッシュドラム１３２の塔頂から出た蒸気ｂｎは、最終的に冷却器１３４で冷却されて、生産物たる淡水として回収される。一方、フラッシュドラム１３２の塔底から出た液ｃｎは、最終的に冷却器１３５で冷却され、副生産物として回収される。

この従来の海水淡水化プラント１３０は、加熱器１３３により追い焚きする必要がある。そして、加えられた熱は、最終的に低温の廃熱として系外に捨てられる。

（４．従来のバイオエタノール共沸蒸留装置）
図４Ｂに示す従来のバイオエタノール共沸蒸留装置（以下、共沸蒸留装置と略す）は、共沸剤としてベンゼンを用いた共沸蒸留が用いられている。共沸蒸留装置１４０において、第一精留塔１４１の塔頂からベンゼン−水混合物が取り出され、第一精留塔１４１の塔底から純度の高いエタノールが取り出される。第一精留塔１４１の塔頂から取り出されたベンゼン−水混合物は、第一デカンタ１４３および第二精留塔１４２で、ベンゼンと水とに分離される。なお、ベンゼンは、第一精留塔１４１に循環して再利用される。しかしながら、共沸蒸留装置１４０は、消費されるエネルギー量が大きく、図４Ｂに示す条件では、２つの精留塔１４１、１４２の加熱器１４５、１４６で合計３９５ｋＷの大きなエネルギーを必要とする。

化学反応を利用して電力を取り出す場合、燃料が本来有するエネルギーをΔＨとすれば、ΔＧを電気として取り出すことができ、ＴΔＳを熱として取り出すことができる。ΔＧは、仕事として取り出すことができるエネルギーであり、有効なエネルギーとしてエクセルギーと呼ばれている。ＴΔＳは、反応に伴って発生する熱である。そして、有効なエネルギーを取り出す能力として、ΔＧ／ΔＨは、エクセルギー率と呼ばれている。エクセルギー率は、可逆的なエネルギーに変換される割合である。しかし、熱が発生した時点で可逆的なエネルギーに変換される割合が下がることとなり、エクセルギー率が低下する。

本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨを向上させることにある。別な表現をすれば、無駄に廃棄される熱エネルギーを極力少なくする装置および方法を提供することを解決課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る蒸留装置は、第一物質を含む第一入力流体（Ａ１）と、第二物質および第三物質を含む第二入力流体（Ａ２）とが供給される第一蒸留塔（６３）と、前記第一蒸留塔（６３）の塔頂から出た第一出力流体（Ｂ１）を圧縮する第一圧縮機（６８）と、前記第一圧縮機（６８）から出た前記第一出力流体（Ｂ１）により、前記第一蒸留塔（６３）の塔底から出た第二出力流体（Ｂ２）を加熱するとともに、前記第二出力流体（Ｂ２）を前記第一蒸留塔（６３）に向けて排出する、第一熱交換器（６５）と、前記第一熱交換器（６５）から出た前記第一出力流体（Ｂ１）から前記第一物質を分離し、前記第一物質を前記第一蒸留塔（６３）に戻すデカンタ（７７）と、前記デカンタ（７７）にて前記第一物質が分離された前記第一出力流体（Ｂ１）が流入する第二蒸留塔（６４）と、前記第二蒸留塔（６４）の塔頂から出た第三出力流体（Ｂ３）の一部を圧縮する第二圧縮機（６９）と、前記第二圧縮機（６９）から出た前記第三出力流体（Ｂ３）により、前記第二蒸留塔（６４）の塔底から出た第四出力流体（Ｂ４）を加熱するとともに、前記第三出力流体（Ｂ３）を前記第二蒸留塔（６４）に向けて排出する、第二熱交換器（６７）と、前記第一蒸留塔（６３）の塔底から出た前記第二出力流体（Ｂ２）に含まれる前記第二物質を回収するための第一排出口（７８）と、前記第二蒸留塔（６４）の塔底から出た前記第四出力流体（Ｂ４）に含まれる前記第三物質を回収するための第二排出口（７９）と、を有している。また、本発明に係る蒸留装置は、前記第二蒸留塔（６４）の塔頂から出た前記第三出力流体（Ｂ３）の残りの一部を圧縮する第三圧縮機（７０）と、前記デカンタ（７７）によって前記第一物質が分離された前記第一出力流体（Ｂ１）を、前記第三圧縮機（７０）から出た前記第三出力流体（Ｂ３）により加熱するとともに、前記第三出力流体（Ｂ３）を前記第一蒸留塔（６３）に向けて排出する、第三熱交換器（６６）と、を更に備えている。

この構成によれば、断熱圧縮により昇温した出力流体と入力流体とを熱交換することにより、入力流体を加熱するので、エネルギーの無駄が発生しない。エクセルギー率の高いプラントもしくは装置を実現することができる。

本発明に係る蒸留装置は、前記第一熱交換器（６５）と前記デカンタ（７７）との間に配置された、前記第一出力流体（Ｂ１）を冷却する第一冷却器（７４）を、更に備えている。

本発明に係る蒸留装置は、前記第一物質がベンゼンであり、前記第二物質がエタノールであり、前記第三物質が水であることが好ましい。

以上のように、本発明によれば、エネルギー損失を抑えて、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨを向上した蒸留装置および蒸留装置方法を提供することができる。

本発明の実施形態１の蒸留装置の概略構成を示す模式図である。実施形態１の従来技術の概略構成を示す模式図である。本発明の実施形態２の蒸留装置の概略構成を示す模式図である。実施形態２の従来技術の概略構成を示す模式図である。本発明の実施形態３の蒸留装置の概略構成を示す模式図である。実施形態３の従来技術の概略構成を示す模式図である。本発明の実施形態４の蒸留装置の概略構成を示す模式図である。実施形態４の従来技術の概略構成を示す模式図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づき説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。

＜実施形態１＞
図１Ａに示す実施形態１の自己熱再生蒸留装置１０は、原料（入力流体）の入口となる導入口１１と、製品（出力流体）の出口となる第一排出口１６、第二排出口１７を有している。導入口１１と、第一排出口１６および第二排出口１７との間には、種々の装置が配管により接続されている。製品である出力流体は、例えば、第一排出口１６から回収され、廃液が第二排出口１７から回収される。つまり、入力流体は複数の物質を含んでおり、このうちの沸点が低い物質が第一排出口１６から回収され、残りの物質が第二排出口１７から回収される。

自己熱再生蒸留装置１０は、２つの熱交換器と、１つの圧縮機と、１つの蒸発缶を有している。すなわち、第二熱交換器１２は、入力流体Ａと第一熱交換器１３を出た第二出力流体Ｂ２との間で熱交換する。第一熱交換器１３は、第二熱交換器１２を出た入力流体Ａと、蒸発缶の加熱チューブ１４Ａから出た第一出力流体Ｂ１との間で熱交換する。
圧縮機１５は、蒸発缶１４の塔頂から出た第一出力流体Ｂ１を断熱圧縮する。第一出力流体Ｂ１は、断熱圧縮されることにより、昇温する。蒸発缶１４は、第一熱交換器１３を出た入力流体Ａを受け入れて、塔底から第二出力流体Ｂ２を排出する。なお、蒸発缶１４の内部には加熱チューブ１４Ａが配置されている。

以下、自己熱再生蒸留装置１０の構成を、入力流体の流れに沿って説明する。入力流体Ａは、導入口１１から、第二熱交換器１２、第一熱交換器１３を通過して、蒸発缶１４に流入する。第一熱交換器１３を出た入力流体Ａは、蒸発缶１４で、気体の第一出力流体Ｂ１と、液体の第二出力流体Ｂ２とに分離される。

蒸発缶１４の塔頂から出た第一出力流体Ｂ１は、圧縮機１５で断熱圧縮されて、蒸発缶１４の缶内を通る加熱チューブ１４Ａに流入する。そして、第一出力流体Ｂ１は、加熱チューブを通過する間に、蒸発缶１４内の入力流体と、潜熱が熱交換される。蒸発缶１４内の入力流体の温度は上昇する。加熱チューブ１４Ａを出た第一出力流体Ｂ１は、第一熱交換器１３に流れ、第二熱交換器１２を出た入力流体Ａと顕熱が熱交換される。これにより、入力流体Ａの温度は上昇する。第一熱交換器１３を出た第一出力流体Ｂ１は、第二熱交換器１２に流れ、入力流体Ａと顕熱が熱交換される。第二熱交換器１２を出た第一出力流体Ｂ１は、第一排出口１６から回収される。

一方、蒸発缶１４の塔底から出た第二出力流体Ｂ２は、第二熱交換器１２に流入する。第二出力流体Ｂ２は、第二熱交換器１２を通過する間に、入力流体Ａと顕熱が熱交換される。そして、第二出力流体Ｂ２は、第二熱交換器１２を出た後、第二排出口１７から回収される。

このように、入力流体Ａは、第一熱交換器１３と第二熱交換器１２で、第一出力流体Ｂ１および第二出力流体Ｂ２と顕熱が熱交換されて加熱され、蒸発缶１４に流入する。なお、第一出力流体Ｂ１が、第一熱交換器１３と第二熱交換器１２とで、２段階に分けて顕熱を熱交換する理由は、第一熱交換器１３での温度が圧縮機１５で圧縮された分だけ、蒸発缶１４から流出した時の温度よりも高い温度になっているためである。すなわち、第一出力流体Ｂ１の持つ熱エネルギーを、２段階で熱交換することにより、より多くの熱エネルギーを回収することが可能である。

以上により、第一出力流体Ｂ１および第二出力流体Ｂ２の保有する熱を入力流体の加熱に利用することで、ボイラー等で別途加熱する必要がない。すなわち、これら流体の潜熱および顕熱の自己熱が循環利用され、自己熱再生蒸留装置１０は、省エネルギーを実現できる。

＜実施形態２＞
図２Ａに示す実施形態２のフラッシュ蒸留装置２０は、原料（入力流体）の入口となる導入口２１と、製品（出力流体）の出口となる第一排出口３５と第二排出口３６を有している。そして、導入口２１と、第一排出口３５および第二排出口３６との間には、種々の装置が配管で接続されている。製品である出力流体は、例えば、入力流体の中の沸点の低い成分が、第一排出口３５から回収され、沸点の高い成分が、第二排出口３６から回収される。

フラッシュ蒸留装置２０は、４つの熱交換器と、１つの圧縮機と、１つのフラッシュカラムとを有している。すなわち、第一熱交換器２７は、第一分流路２３と第一回収路３７との間で熱交換をする。第二熱交換器２８は、第二分流路２４と第二回収路３８との間で熱交換をする。第三熱交換器２９は、合流路２６と第一回収路３７との間で熱交換をする。第四熱交換器３０は、第一回収路３７と第二回収路３８との間で熱交換をする。
圧縮機３１は、第一回収路３７であって、フラッシュカラム３２の塔頂と第四熱交換器３０の間に配置されている。

以下、フラッシュ蒸留装置２０の構成を、作動流体の流れに沿って説明する。入力流体Ａは、導入口２１から流入して、分流部２２で、第一分流路２３を流れる第一入力流体Ａ１と、第二分流路２４を流れる第二入力流体Ａ２と、に分流する。第一入力流体Ａ１は、第一熱交換器２７にて加熱されて、合流部２５に流入する。第二入力流体Ａ２は、第二熱交換器２８にて加熱されて、合流部２５に流入する。合流部２５において、第一入力流体Ａ１と第二入力流体Ａ２とが合流する（以下、合流した入力流体を入力流体Ａ３と呼ぶこととする）。

そして、入力流体Ａ３は、合流路２６に配された第三熱交換器２９にて加熱されて、フラッシュカラム３２に流入する。フラッシュカラム３２において、入力流体Ａ３は、気体の第一出力流体Ｂ１と、液体の第二出力流体Ｂ２とに分離される。フラッシュカラム３２の塔頂から流出した第一出力流体Ｂ１は、第一回収路３７を経由して、第一排出口３５から流出する。フラッシュカラム３２の塔底から流出した第二出力流体Ｂ２は、第二回収路３８を経由して第二排出口３６から流出する。

第一出力流体Ｂ１は、圧縮機３１で断熱圧縮されて、昇温する。第一出力流体Ｂ１は第四熱交換器３０、第三熱交換器２９、第一熱交換器２７、を順次通過する。第一回収路３７を流れる第一出力流体Ｂ１は、第四熱交換器３０を通過する間に、第二回収路３８を流れる第二出力流体Ｂ２を加熱する。潜熱による熱交換が行なわれる。また、第一出力流体Ｂ１は、第三熱交換器２９を通過する時に、合流路２６を流れる入力流体Ａ３を加熱し、第一熱交換器２７を通過する間に、第一分流路２３を流れる第一入力流体Ａ１を加熱する。そして、第一出力流体Ｂ１は、第一冷却器５２で冷却され、液化された後、第一排出口５４から回収される。回収された第一出力流体Ｂ１は淡水である。

一方、第二出力流体Ｂ２は、第四熱交換器３０、第二熱交換器２８、を順次通過する。第二回収路３８を流れる第二出力流体Ｂ２は、第四熱交換器３０を通過する間に、第一出力流体Ｂ１を加熱し、第二熱交換器２８を通過する間に、第二入力流体Ａ２を加熱する。熱交換器２８、３０で顕熱による熱交換が行なわれる。そして、第二出力流体Ｂ２は、第二冷却器３４で冷却された後、第二排出口３６から回収される。なお、導入口２１と、第一排出口３５と、第二排出口３６とにおける各流体の温度および圧力を同一にすれば、フラッシュ蒸留装置２０をモジュール化しやすい。また、このフラッシュ蒸留装置２０は、ベンゼンとトルエンの分留に利用できる。また、焼酎の蒸留に用いることができる。複数のフラッシュ蒸留装置２０を組み合わせて、望みの度数の焼酎を得ることができる。

このように、入力流体Ａは、第一熱交換器２７と第二熱交換器２８と第三熱交換器２９で、第一出力流体Ｂ１および第二出力流体Ｂ２により加熱され、フラッシュカラム３２に流入することになる。なお、第一出力流体Ｂ１が、第一熱交換器２７と第三熱交換器２９と第四熱交換器３０とで、３段階に分けて熱交換される理由は、まず第四熱交換器３０で潜熱を交換し、第三熱交換器２９および第一熱交換器２７で顕熱を交換するためである。すなわち、第一出力流体Ｂ１の持つ熱エネルギーを、３段階で熱交換することにより、より多くのエネルギーを回収することができる。

以上により、入力流体Ａ、第一出力流体Ｂ１、第二出力流体Ｂ２の自己熱を利用することで、加熱炉で加熱する必要がないフラッシュ蒸留装置を実現する。図２Ｂを例に取って説明すれば、４８８ｋＷの加熱炉１２６は必要でない。もっとも、圧縮機３１を駆動するために動力が必要となるが、この動力は、１００ｋｇｍｏｌ／ｈの入力流体Ａに対して４５．１ｋＷとなる。すなわち、作動流体の潜熱・顕熱が循環利用されるので、自己熱再生によるフラッシュ蒸留装置２０は、従来のフラッシュ蒸留装置１２０と比べて、エンタルピー基準で約１／１１となり、１０分の１以下のエネルギーで運転が可能である。

＜実施形態３＞
図３Ａに示す実施形態３の淡水化プラント４０は、原料（入力流体）の入口となる導入口４１と、製品（出力流体）の出口となる第一排出口５４、第二排出口５５を有している。そして、導入口４１と、第一排出口５４および第二排出口５５との間には、種々の装置が配管で接続されている。淡水化プラント４０は、例えば、入力流体の中からある成分を分離して第一排出口５４から排出し、分離後の入力流体を第二排出口５５から排出する。

淡水化プラント４０は、３つの熱交換器と、１つの圧縮機と、１つのフラッシュカラムとを有している。すなわち、第一熱交換器４７は、第一分流路４３と第一回収路５７との間で熱交換をする。第二熱交換器４８は、第二分流路４４と第二回収路５８との間で熱交換をする。第三熱交換器４９は、合流路４６と第一回収路５７との間で熱交換をする。
圧縮機５０は、第一回収路５７であって、フラッシュカラム５１の塔頂と第三熱交換器４９の間に配置されている。

以下、淡水化プラント４０の構成を、作動流体の流れに沿って説明する。
入力流体Ａは、導入口４１から流入して、分流部４２で、第一分流路４３を流れる第一入力流体Ａ１と、第二分流路４４を流れる第二入力流体Ａ２と、に分流する。第一入力流体Ａ１は、第一熱交換器４７にて加熱されて、合流部４５に流入する。第二入力流体Ａ２は、第二熱交換器４８にて加熱されて、合流部４５に流入する。合流部４５において、第一入力流体Ａ１と第二入力流体Ａ２とが合流する（以下、合流した入力流体を入力流体Ａ３と呼ぶこととする）。

そして、入力流体Ａ３は、合流路４６に配された第三熱交換器４９にて加熱されて、フラッシュカラム５１に流入する。フラッシュカラム５１において、入力流体Ａ３は、気体の第一出力流体Ｂ１と、液体の第二出力流体Ｂ２とに分離される。フラッシュカラム５１の塔頂から出た第一出力流体Ｂ１は、第一回収路５７を経由して、第一排出口５４から流出する。フラッシュカラム５１の塔底から出た第二出力流体Ｂ２は、第二回収路５８を経由して第二排出口５５から流出する。具体的には、第一出力流体Ｂ１は水蒸気であり、第二出力流体Ｂ２は塩分濃度の高い海水である。

第一出力流体Ｂ１は、圧縮機５０で断熱圧縮されて、省温する。第一出力流体Ｂ１は、第三熱交換器４９、第一熱交換器４７を、順次通過する。第一回収路５７を流れる第一出力流体Ｂ１は、第三熱交換器４９を通過する時に、合流路４６を流れる入力流体Ａ３を加熱する。潜熱による熱交換が行なわれる。そして、第一熱交換器４７を通過する時に、第一分流路４３を流れる第一入力流体Ａ１を加熱する。顕熱による熱交換が行なわれる。そして、第一出力流体Ｂ１は、第一冷却器５２で冷却され液化された後、第一排出口５４から回収される。回収された第一出力流体Ｂ１は、生産物たる淡水である。

一方、第二出力流体Ｂ２は、第二熱交換器４８を通過する。第二出力流体Ｂ２は、第二熱交換器４８を通過する間に第二入力流体Ａ２を加熱する。第二熱交換器４８にて、顕熱による熱交換が行なわれる。そして、第二出力流体Ｂ２は、第二冷却器５３で冷却され、第二排出口５５から排出される。

このように、入力流体Ａは、第一熱交換器４７と第二熱交換器４８と第三熱交換器４９で、第一出力流体Ｂ１および第二出力流体Ｂ２と熱交換されて加温され、フラッシュカラム５１に流入する。なお、第一出力流体Ｂ１が、第一熱交換器４７と第三熱交換器４９とで、２段階に分けて熱交換される理由は、まず第三熱交換器４９で潜熱を交換し、次に第一熱交換器４７で顕熱を交換することにより、より多くエネルギーを回収するためである。

以上により、海水淡水化プラント４０は、入力流体Ａ、第一出力流体Ｂ１、第二出力流体Ｂ２の自己熱を利用するので、加熱器で加熱する必要がない。すなわち、これら流体の潜熱・顕熱が循環利用される。海水淡水化プラント４０は、省エネルギーを実現できる。なお、圧縮機５０を駆動するために動力が必要であるが、その動力は、生産物である淡水の単位質量あたり６７．７０ｋＪのエネルギーとなる。ところが、海水淡水化プラント１３０では、生産物である淡水の単位質量あたり７６５．３ｋＪのエネルギーが必要である。したがって、自己熱再生による海水淡水化プラント４０は、従来の多段フラッシュ法による海水淡水化プラント１３０で必要なエネルギーの約１／１０で運転が可能である。大きな省エネルギー効果が期待できる。

＜実施形態４＞
図４Ａに示す実施形態４の自己熱再生型バイオエタノール共沸蒸留装置（以下、共沸蒸留装置と略す）６０は、ベンゼンと、エタノール−水混合物から、高濃度のエタノールと高純度の水とを取り出す装置である。原料（入力流体）の入口となる２つの導入口６１、６２と、製品（出力流体）の出口となる２つの排出口７８、７９を有している。そして、導入口６１、６２と、排出口７８、７９との間には、種々の装置が配管で接続されている。

共沸蒸留装置６０は、３つの熱交換器と、３つの圧縮機と、２つの精留塔を有している。すなわち、３つの圧縮機６８、６９、７０はいずれも精留塔６３、６４の塔頂から出た流体を断熱圧縮する。第一熱交換器６５と第二熱交換器６７は、それぞれ、精留塔６３、６４の塔底から出た流体と、圧縮機６８、６９を出た流体との間で熱交換をする。第三熱交換器６６は、デカンタ７７を出た流体と、第二圧縮機７０を出た流体との間で熱交換をする。

共沸蒸留装置６０の構成を、入力流体の流れに沿って説明する。
ベンゼンを主成分とする第一入力流体Ａ１と、エタノール−水混合物である第二入力流体Ａ２が、それぞれ、第一導入口６１と第二導入口６２から第一精留塔６３に流入する。そして、これら２つの流体が第一精留塔６３で混合される。そして、第一精留塔６３の塔頂から第一出力流体Ｂ１が出力され、第一精留塔６３の塔底から第二出力流体Ｂ２が出力される。ここで、第一出力流体Ｂ１はベンゼン−水混合物であり、第二出力流体Ｂ２は純度の高いエタノールである。

第一精留塔６３の塔底から出た第二出力流体Ｂ２は、その一部が第一排出口７８から回収され、その残りが第一熱交換器６５で加熱されて第一精留塔６３に戻る。

一方、第一精留塔６３の塔頂から出た第一出力流体Ｂ１は、第一圧縮機６８で断熱圧縮された後、第一熱交換器６５を通過する。出力流体は断熱圧縮されることにより昇温する。第一熱交換器６５において、第一出力流体Ｂ１が加熱源となり、第二出力流体Ｂ２は加熱される。第一熱交換器６５を出た第一出力流体Ｂ１は、第一バルブ７１で減圧され、第一冷却器７４で冷却された後、デカンタ７７に流入する。

このデカンタ７７で、第一出力流体Ｂ１は、水を主成分とする第五出力流体Ｂ５と、ベンゼンを主成分とする第六出力流体Ｂ６とに分離される。デカンタ７７を出た第六出力流体Ｂ６は、第一精留塔６３に戻される。

第五出力流体Ｂ５は、第三熱交換器６６において加熱され、第二精留塔６４に流入する。一方、第二精留塔６４の塔頂から、水を主成分とするベンゼン−水混合物である第三出力流体Ｂ３が出力され、第二精留塔６４の塔底から純度の高い水である第四出力流体Ｂ４が出力される。

第二精留塔６４の塔底から出た第四出力流体Ｂ４は、その一部が第二排出口７９から回収され、その残りが第二熱交換器６７を通過して第二精留塔６４に戻される。

また、第二精留塔６４の塔頂から出た第三出力流体Ｂ３は、分流して、それぞれ、圧縮機６９、７０に流入する。すなわち、分流した一方の第三出力流体Ｂ３は、第二圧縮機６９で断熱圧縮され、第二熱交換器６７を通過した後、第二バルブ７２で減圧され、第二冷却器７５で冷却されて第二精留塔６４に戻る。分流した他方の第三出力流体Ｂ３は、第三圧縮機７０で断熱圧縮され、第三熱交換器６６を通過した後、第三バルブ７３で減圧され、第三冷却器７６で冷却されて第一精留塔６３に戻る。

このようにして、第一排出口７８から高濃度のエタノールが回収され、第二排出口７９から純度の高い水が回収される。

以上により、共沸蒸留装置６０は、入力流体および出力流体の自己熱を利用することで、加熱器で加熱する必要がない。すなわち、これら流体の潜熱・顕熱が循環利用され、共沸蒸留装置６０は、省エネルギーを実現できる。なお、共沸蒸留装置６０において、圧縮機６８、６９、７０を駆動するために動力が必要である。図４Ａの条件では、その動力は、合計で４８．７ｋＷとなる。一方、図４Ｂに示す条件では、２つの精留塔１４１、１４２の加熱器１４５、１４６で合計３９５ｋＷのエネルギーを必要とする。したがって、図４Ａの共沸蒸留装置６０は、従来の共沸蒸留装置１４０で必要なエネルギーの約１／８のエネルギーで運転が可能である。

＜その他の実施形態＞
本発明に係る蒸留装置は、加熱または燃焼に伴うエクセルギー損失を抑える省エネルギー方法であって、外部から熱を加える加熱工程または燃焼工程の一部または全部を、前記入力流体の自己熱を有効に利用した可逆的なエネルギー変換工程に代えて、有効に利用可能なエネルギーの割合を増加させ、エクセルギー率を上昇させることを特徴としている。

この構成によれば、加熱工程または燃焼工程の一部または全部を、可逆的なエネルギー変換工程に代えることで、加熱または燃焼に伴うエクセルギー率の低い熱エネルギーの損失を抑えることができる。これにより、ＴΔＳを減少し、ΔＧを増加して、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨを従来よりも向上させる。ここで、可逆的なエネルギー変換工程とは、例えば、気体の圧縮・膨張などの仕事として取り出し可能なエネルギーに変更する工程をいう。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。

本発明に係る自己熱再生技術を用いた蒸留装置は、蒸留装置だけでなく、淡水化プラントおよび共沸蒸留装置としてとしても好適に用いることができる。

１０自己熱再生蒸留装置
１１導入口
１２第二熱交換器
１３第一熱交換器
１４蒸発缶
１４Ａ加熱チューブ
１５圧縮機
２０フラッシュ蒸留装置
２１導入口
２２分流部
２３第一分流路
２４第二分流路
２５合流部
２６合流路
２７第一熱交換器
２８第二熱交換器
２９第三熱交換器
３０第四熱交換器
３１圧縮機
３２フラッシュカラム
３３第一冷却器
３４第二冷却器
３７第一回収路
３８第二回収路
４０海水淡水化プラント
４１導入口
４２分流部
４３第一分流路
４４第二分流路
４５合流部
４６合流路
４７第一熱交換器
４８第二熱交換器
４９第三熱交換器
５０圧縮機
５１フラッシュカラム
５２第一冷却器
５３第二冷却器
５７第一回収路
５８第二回収路
６０バイオエタノール共沸蒸留装置
６１第一導入口
６２第二導入口
６３第一精留塔
６４第二精留塔
６５第一熱交換器
６６第三熱交換器
６７第二熱交換器
６８第一圧縮機
６９第二圧縮機
７０第三圧縮機
７４第一冷却器
７５第二冷却器
７６第三冷却器
７７デカンタ

Claims

第一物質を含む第一入力流体（Ａ１）と、第二物質および第三物質を含む第二入力流体（Ａ２）とが供給される第一蒸留塔（６３）と、
前記第一蒸留塔（６３）の塔頂から出た第一出力流体（Ｂ１）を圧縮する第一圧縮機（６８）と、
前記第一圧縮機（６８）から出た前記第一出力流体（Ｂ１）により、前記第一蒸留塔（６３）の塔底から出た第二出力流体（Ｂ２）を加熱するとともに、前記第二出力流体（Ｂ２）を前記第一蒸留塔（６３）に向けて排出する、第一熱交換器（６５）と、
前記第一熱交換器（６５）から出た前記第一出力流体（Ｂ１）から前記第一物質を分離し、前記第一物質を前記第一蒸留塔（６３）に戻すデカンタ（７７）と、
前記デカンタ（７７）にて前記第一物質が分離された前記第一出力流体（Ｂ１）が流入する第二蒸留塔（６４）と、
前記第二蒸留塔（６４）の塔頂から出た第三出力流体（Ｂ３）の一部を圧縮する第二圧縮機（６９）と、
前記第二圧縮機（６９）から出た前記第三出力流体（Ｂ３）により、前記第二蒸留塔（６４）の塔底から出た第四出力流体（Ｂ４）を加熱するとともに、前記第三出力流体（Ｂ３）を前記第二蒸留塔（６４）に向けて排出する、第二熱交換器（６７）と、
前記第一蒸留塔（６３）の塔底から出た前記第二出力流体（Ｂ２）に含まれる前記第二物質を回収するための第一排出口（７８）と、
前記第二蒸留塔（６４）の塔底から出た前記第四出力流体（Ｂ４）に含まれる前記第三物質を回収するための第二排出口（７９）と、を有している、蒸留装置。
前記第二蒸留塔（６４）の塔頂から出た前記第三出力流体（Ｂ３）の残りの一部を圧縮する第三圧縮機（７０）と、
前記デカンタ（７７）によって前記第一物質が分離された前記第一出力流体（Ｂ１）を、前記第三圧縮機（７０）から出た前記第三出力流体（Ｂ３）により加熱するとともに、前記第三出力流体（Ｂ３）を前記第一蒸留塔（６３）に向けて排出する、第三熱交換器（６６）と、を更に備えている、請求項１に記載の蒸留装置。
前記第一熱交換器（６５）と前記デカンタ（７７）との間に配置された、前記第一出力流体（Ｂ１）を冷却する第一冷却器（７４）を、更に備えている、請求項２に記載の蒸留装置。
前記第一物質がベンゼンであり、前記第二物質がエタノールであり、前記第三物質が水である、請求項２に記載の蒸留装置。