JP6289112B2 - 蒸留塔 - Google Patents

Description

本発明は、多くの工業プロセスで広く適用される蒸留操作を実施するための蒸留塔に関し、詳しくは、機械式ヒートポンプ式蒸留塔に関する。

連続蒸留を行う蒸留塔の原料供給段より上の部分は濃縮部、下の部分は回収部と呼ばれている。蒸留塔には、塔頂蒸気を冷却して凝縮させる塔頂コンデンサーと、塔底液を加熱して沸騰させるリボイラーが設けられる。

省エネルギー化の観点から改良された蒸留塔として、機械式ヒートポンプ式蒸留塔が知られている。機械式ヒートポンプ式蒸留塔としては、蒸気再圧縮塔（Ｖａｐｏｒ Ｒｅ−Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ：ＶＲＣ）が知られており（非特許文献１、特許文献１）、また、内部熱交換型蒸留塔（Ｈｅａｔ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｃｏｌｕｍｎ：ＨＩＤｉＣ）も知られている（特許文献２〜５）。

ＶＲＣにおいては、塔頂から抜き出した塔頂蒸気をコンプレッサーで圧縮して昇温し、昇温した流体をＶＲＣのリボイラーの熱源として利用する。ＶＲＣでは、いわば、機械式ヒートポンプシステムを利用して、１つの塔の塔頂の熱を、その塔の塔底に供給することができる。したがって、リボイラーへの入熱量を削減することができ、蒸留塔におけるエネルギー消費量を削減することができる。なお、ＶＲＣは、ＭＶＲ（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）とも呼ばれる。

ＨＩＤｉＣの基本的な構成は、一つの蒸留塔の濃縮部と回収部を分離した構造を有している。濃縮部の操作温度が回収部の操作温度よりも高くなるように、濃縮部の操作圧力が回収部の操作圧力よりも高くされる。そのために、濃縮部を含む高圧塔と、回収部を含む低圧塔が用いられ、低圧塔の塔頂部から抜き出した蒸気をコンプレッサーで圧縮して昇温したうえで高圧塔の塔底部に送る。また、高圧塔の塔底部から抜き出した液が、低圧塔の塔頂部に送られる。そして、濃縮部と回収部との間で熱交換可能に構成される。したがって、濃縮部から回収部に熱移動（内部熱交換）が生じ、リボイラーにおける入熱量を小さくできるとともに、塔頂コンデンサーにおける除熱量も小さくできる。すなわち熱交換によって濃縮部から回収部に熱を移動させることにより、リボイラーにおける入熱およびコンデンサーにおける除熱を少なくとも部分的に代替することができ、その結果エネルギー効率が極めて高い蒸留装置が得られる。

機械式ヒートポンプ式蒸留塔においては、蒸留塔のいずれかの位置から抜き出した蒸気を、コンプレッサーで圧縮することにより、昇温する。これによって、塔頂蒸気が持つ熱をリボイラーに供給するための熱交換、あるいは、濃縮部（高圧塔）から回収部（低圧塔）に熱を移動させるための熱交換が可能となる。

ＵＳ４７１８９８６Ａ 特開平８−６６６０１号公報 特開２００４−１６９２８号公報 国際公開第２０１１／０４３１９９号パンフレット 特開２０１３−２０８５６１号公報

Sulzer Chemtech社のパンフレット,「Sulzer Chemtech Distillation and Heat-Pump Technology, Production of 1-Butene from Tail Gas of a MTBE Plant」

機械式ヒートポンプ式蒸留塔では、蒸気を昇温するためにコンプレッサーによる昇圧操作を行う。したがって、蒸留塔の塔内温度差が大きいほど、昇温幅を大きくすること、すなわちコンプレッサーの圧縮比を大きくすることが必要となる。したがって、塔内温度差が大きいほど、コンプレッサーの消費動力が増大し、その結果、エネルギー削減効果が小さくなる。

そのため、塔内温度差が大きい蒸留塔については、機械式ヒートポンプ式蒸留塔を適用することによって省エネルギー化することが難しい、あるいはその省エネルギー効果が小さかった。

本発明の目的は、塔内温度差が大きい場合であっても、蒸留塔を大幅に省エネルギー化することを可能とすることである。

本発明により、以下の蒸留塔が提供される。

１）濃縮部の一部または回収部の一部を含む第一の塔と、
第一の塔が濃縮部の一部を含む場合には濃縮部の残部および回収部の全部を含み、第一の塔が回収部の一部を含む場合には回収部の残部と濃縮部の全部を含む、第二の塔と
を有し、
第二の塔が内部熱交換型蒸留塔を構成する蒸留塔であって、
第二の塔が、
第二の塔に含まれる濃縮部の全部もしくは一部を含み、相対的に高圧で気液接触を行う高圧部；
第二の塔に含まれる回収部の全部もしくは一部を含み、相対的に低圧で気液接触を行う低圧部；
前記低圧部の塔頂部から排出される蒸気を前記高圧部の塔底部に導く、昇圧手段を備える蒸気用ライン；
前記高圧部の塔底部から排出される液を前記低圧部の塔頂部に導く液用ライン；および、
第二の塔に含まれる濃縮部から第二の塔に含まれる回収部に熱交換によって熱を移動させるよう構成された熱交換構造
を備える、蒸留塔。

２）第一の塔の段数が、蒸留塔の総段数の４０％以下である１）記載の蒸留塔。

本発明によれば、塔内温度差が大きい場合であっても、蒸留塔を大幅に省エネルギー化することが可能となる。

本発明の蒸留塔の一形態を示す概略図である。 本発明の蒸留塔の別の形態を示す概略図である。 本発明の蒸留塔のさらに別の形態を示す概略図である。 本発明の蒸留塔のさらに別の形態を示す概略図である。 蒸留塔の温度プロファイルの例を示す図である。 比較例１の蒸留塔を示すプロセスフロー図である。 比較例２の蒸留塔を示すプロセスフロー図である。 実施例１の蒸留塔を示すプロセスフロー図である。 熱交換構造の詳細例を説明するための図である。 熱交換構造の詳細例を説明するための図である。 熱交換構造の別の詳細例を説明するための図である。

以下図面を参照しつつ本発明の形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。なお、第二の塔が蒸気再圧縮塔（ＶＲＣ）を構成する形態は、参考用である。

本発明の蒸留塔は第一の塔と第二の塔を含む。第一の塔は、蒸留塔の濃縮部の一部を含むことができ、この場合、第二の塔が、蒸留塔の濃縮部の残部および蒸留塔の回収部の全部を含む。あるいは、第一の塔が、蒸留塔の回収部の一部を含むことができ、この場合、第二の塔が、蒸留塔の回収部の残部と蒸留塔の濃縮部の全部を含む。第一の塔は、蒸留塔の濃縮部の一部か、あるいは蒸留塔の回収部の一部を含み、したがって蒸留塔の濃縮部および回収部の両方を含むことはない。また、第一の塔が、蒸留塔の濃縮部の全部を含むこともなく、蒸留塔の回収部の全部を含むこともない。

本発明の蒸留塔は、一つの従来型の蒸留塔（より正確には、連続蒸留塔）を、濃縮部の途中または回収部の途中で二つの塔、すなわち第一の塔と第二の塔に分けた構成を有する。第二の塔の中間段（塔頂部以外かつ塔底部以外の段）に原料が供給される。なお、従来型の蒸留塔は、単一の塔（容器）を有し、濃縮部の全部および回収部の全部がその単一の容器内の連続する領域に存在する。そして、従来型の蒸留塔はコンプレッサーを備えない。換言すれば、本発明の蒸留塔は、一つの従来型蒸留塔の塔内の領域を、二つの領域に区画し、それら二つの領域をそれぞれ別個の塔（容器）に収容し、二つの塔の間で流体を移送するライン（蒸気を移送するラインと液を移送するライン）で二つの塔を接続した構成を有する。一方の塔から排出される流体は、その全量（ただし、一方の塔から流体がいったん排出された後に、この一方の塔に戻される場合には、戻される流体の量は除く）が他方の塔に供給される。つまり、一方の塔から他方の塔に蒸気が移送される場合、その全量（例えば還流などによって、一方の塔から排出された蒸気の一部がこの一方の塔に戻される場合には、その戻される流体の量は除く）が他方の塔に供給される。また、一方の塔から他方の塔に液が移送される場合、その全量（例えばリボイラーを経由するなどして、一方の塔から排出された液の一部がこの一方の塔に戻される場合には、その戻される流体の量は除く）が他方の塔に供給される。つまり、第一の塔と第二の塔との間の流体のやりとりに際しては、これらの塔以外の機器もしくは蒸留塔外に流体が送られることはない。

第一の塔については、単一の塔（容器）を有し、複数の塔（容器）を有さない構成を採用することができる。第一の塔の内部には、通常、棚段もしくは充填層など、気液接触を促進する部材が適宜収容される。第一の塔は、塔内から排出される蒸気を昇圧するための、コンプレッサーなどの昇圧手段を備えない。つまり、第一の塔は、従来型の蒸留塔と同様の構成を有することができる（ただし、上述のとおり、第一の塔は、蒸留塔の濃縮部の全部および回収部の全部を含まない）。

第二の塔は、内部熱交換型蒸留塔（ＨＩＤｉＣ）または蒸気再圧縮塔（ＶＲＣ）などの、機械式ヒートポンプ式蒸留塔を構成する。第二の塔の内部にも、通常、棚段もしくは充填層など、気液接触を促進する部材が適宜収容される。

本発明によれば、一つの従来型蒸留塔を塔内温度差が比較的大きい領域と比較的小さい領域に分けて二塔化し、塔内温度差の比較的大きい領域には第一の塔を適用し、塔内温度差の比較的小さい領域には第二の塔を適用することができる。第二の塔では機械式ヒートポンプ式蒸留プロセスを行い、第一の塔では機械式ヒートポンプ式蒸留プロセスは行わない。つまり、一つの蒸留塔の、塔内温度差が比較的小さい領域にのみに機械式ヒートポンプ式蒸留プロセスを適用することができる。したがって、機械式ヒートポンプ式蒸留プロセスを行うために必要なコンプレッサー動力の増大を抑えることができ、全体の塔内温度差が大きい蒸留塔についても、省エネルギー化することが容易となる。

一つの従来型蒸留塔を第一の塔と第二の塔に分ける位置は、その従来型蒸留塔の温度プロファイルに応じて決めることができるが、例えば、第一の塔の段数が、従来型蒸留塔の総段数のおおよそ４０％以下であるように決めることができる。この点については、後に図５を用いて詳述する。従来型蒸留塔の総段数に対して、本発明の蒸留塔の総段数（第一の塔の段数と第二の塔の段数の合計）は、同一以上とすることができる。したがって、第一の塔の段数を従来型蒸留塔の総段数のおおよそ４０％以下とすることは、第一の塔の段数を本発明の蒸留塔の総段数のおおよそ４０％以下とすることに相当する。

本発明による蒸留塔は、いかなる蒸留塔にも適用可能であるが、塔内の温度変化が、塔頂付近もしくは塔底付近の一部の段に集中しておきるような従来型蒸留塔、例えば塔内温度変化の約５割以上が、塔頂付近もしくは塔底付近の段に集中しており、その段数が、総段数のおおよそ４０％以下であるような従来型蒸留塔に替えて使用する場合に特に効果的である。

本発明による蒸留塔は、例えば、改質ガソリンや分解ガソリンなどの原料から、ベンゼンを分離する芳香族抽出装置及び同原料からパラキシレンを分離するパラキシレン製造装置を含むアロマティクス・コンプレックスにおいて、粗パラキシレンからトルエンを分離して精製パラキシレンを得るための蒸留塔に利用することができる。

〔第二の塔にＨＩＤｉＣを適用する場合〕
以下、第二の塔にＨＩＤｉＣを適用する場合について説明する。

この場合、第二の塔は、
第二の塔に含まれる濃縮部の全部もしくは一部を含み、相対的に高圧で気液接触を行う高圧部；
第二の塔に含まれる回収部の全部もしくは一部を含み、相対的に低圧で気液接触を行う低圧部；
前記低圧部の塔頂部から排出される蒸気を前記高圧部の塔底部に導く、昇圧手段を備える蒸気用ライン；
前記高圧部の塔底部から排出される液を前記低圧部の塔頂部に導く液用ライン；および、
第二の塔に含まれる濃縮部から第二の塔に含まれる回収部に熱交換によって熱を移動させるよう構成された熱交換構造
を備えることができる。

・高圧部および低圧部
蒸留操作における「濃縮部」および「回収部」は、蒸留装置、特には連続蒸留装置に関して、古くから使用されている用語である。濃縮部は、単一の塔で構成される従来型の蒸留塔における原料供給位置よりも上の部分に相当する。回収部は、従来型の蒸留塔における原料供給位置よりも下の部分に相当する。つまり、濃縮部は、原料中の分離対象となる軽質留分の濃度を高くしていく部分であり、回収部は重質留分の濃度を高くしていく部分である。

第二の塔にＨＩＤｉＣを適用する場合、高圧部の運転温度を低圧部の運転温度より高くするために、高圧部の運転圧力が低圧部の運転圧力より高く設定される。ここでいう「相対的に高圧もしくは低圧」は、低圧部と高圧部の圧力の比較に関する。

高圧部は基本的には第二の塔に含まれる濃縮部に相当し、低圧部は基本的には第二の塔に含まれる回収部に相当する。したがって、第二の塔の最も基本的な構成においては、高圧部が、第二の塔に含まれる濃縮部を含むが第二の塔に含まれる回収部は含まず、低圧部が、第二の塔に含まれる回収部を含むが第二の塔に含まれる濃縮部は含まない。つまり高圧部が第二の塔に含まれる濃縮部の全部を含み、低圧部が第二の塔に含まれる回収部の全部を含む。しかし、この限りではなく、低圧部が、第二の塔に含まれる回収部の全部と第二の塔に含まれる濃縮部の一部を含み、高圧部が、第二の塔に含まれる濃縮部の残りの部分を含むことができる。あるいは、高圧部が、第二の塔に含まれる濃縮部の全部と第二の塔に含まれる回収部の一部を含み、低圧部が、第二の塔に含まれる回収部の残りの部分を含むことができる。

換言すれば、ＨＩＤｉＣを構成する第二の塔の基本的な構成は、第二の塔を、原料供給位置を境に二つの領域（第二の塔に含まれる濃縮部の全部を含む高圧部、および、第二の塔に含まれる回収部の全部を含む低圧部）に区画したような構成である。しかし第二の塔の構成は、この構成に限定されるわけではない。第二の塔の原料供給位置より上において二つの領域に区画したような構成、すなわち、第二の塔に含まれる濃縮部の中間位置を境に第二の塔を二つの領域（回収部の全部と濃縮部の一部とを含む低圧部、および、回収部を含まず濃縮部の残りの部分を含む高圧部）に区画したような構成が可能である。あるいは、第二の塔に含まれる回収部の中間位置を境に二つの領域（第二の塔に含まれる濃縮部の全部と第二の塔に含まれる回収部の一部を含む高圧部、および、第二の塔に含まれる濃縮部を含まず第二の塔に含まれる回収部の残りの部分を含む低圧部）に区画したような構成も可能である。

なお、当然ではあるが、高圧部および低圧部の一方が濃縮部と回収部との両者を含む場合、他方が濃縮部と回収部の両方を含むことはない。

高圧部および低圧部はそれぞれ典型的には一つの塔（容器）によって形成される。高圧部を形成する高圧塔と、低圧部を形成する低圧塔とが、互いに離れて設けられていてもよい。あるいは、高圧塔と低圧塔とが構造物として一体的に設けられていてもよく、例えば単一の容器の内部を隔壁（流体が通過不能な部材）によって区画することにより、二つの領域を形成し、一方の領域を高圧塔として利用し、他方の領域を低圧塔として利用することができる。

・蒸気用ライン
従来型の蒸留塔では、塔の下部（回収部）から上部（濃縮部）へと蒸気が上昇する。ＨＩＤｉＣを構成する第二の塔では、基本的には回収部と濃縮部とが分離（区画）されているため、この蒸気の流れを実現するために、このラインを設ける。

このラインには低圧部（相対的に低圧）から高圧部（相対的に高圧）に蒸気を送るために、コンプレッサーなどの昇圧手段が設けられる。

・液用ライン
従来型の蒸留塔では、塔の上部（濃縮部）から下部（回収部）へと液が下降する。ＨＩＤｉＣを構成する第二の塔では、基本的には回収部と濃縮部とが分離（区画）されているため、この液の流れを実現するために、このラインを設ける。この流れを「中間還流」と呼ぶことがあり、このラインを「中間還流ライン」と呼ぶことがある。

・熱交換構造
第二の塔は、第二の塔に含まれる濃縮部から第二の塔に含まれる回収部に熱交換によって熱を移動させるよう構成された熱交換構造を含む。なお、本明細書において、特に断りのない限り、熱交換という用語は、より正確には間接熱交換を意味する。

熱交換構造は、熱交換器および配管等を利用して、構成することができる。例えば、熱交換構造は、次のａおよびｂに示される構成のうちの一方または両方を含むことができる。
ａ）第二の塔に含まれる濃縮部（典型的には高圧部に含まれる濃縮部）に設けられた熱交換器と、第二の塔に含まれる回収部（典型的には低圧部に含まれる回収部）から液を抜き出してこの熱交換器を経由してこの回収部に戻すライン、
ｂ）第二の塔に含まれる回収部（典型的には低圧部に含まれる回収部）に設けられた熱交換器と、第二の塔に含まれる濃縮部（典型的には高圧部に含まれる濃縮部）から蒸気を抜き出してこの熱交換器を経由してこの濃縮部に戻すライン、
あるいは、高圧部の外部かつ低圧部の外部（典型的には高圧塔の外部かつ低圧塔の外部）に熱交換器を設け、第二の塔に含まれる回収部（典型的には低圧部に含まれる回収部）から液を抜き出してこの熱交換器を経由してこの回収部に戻すとともに、第二の塔に含まれる濃縮部（典型的には高圧部に含まれる濃縮部）から蒸気を抜き出してこの熱交換器を経由してこの濃縮部に戻し、これら流体の間で熱交換を行う構造を採用することもできる。

また、熱交換構造は、結果的に第二の塔に含まれる濃縮部から第二の塔に含まれる回収部に熱を移動させることのできる構造であればよく、第二の塔に含まれる濃縮部内の流体および第二の塔に含まれる回収部内の流体のいずれも直接用いなくともこの熱交換構造は実現できる。例えば、第二の塔に含まれる濃縮部内の流体に替えて、第二の塔に含まれる濃縮部から排出された相対的に高圧（高温）の流体を用いることができる。また、第二の塔に含まれる回収部内の流体に替えて、第二の塔に含まれる回収部に流入する相対的に低圧（低温）の流体を用いることができる。例えば、第二の塔に含まれる回収部（典型的には低圧部に含まれる回収部）に流入する原料と、第二の塔に含まれる濃縮部（典型的には高圧部に含まれる濃縮部）の頂部から抜き出された蒸気とを熱交換させれば、第二の塔に含まれる濃縮部から第二の塔に含まれる回収部に熱を移動させることができる。

熱交換構造は一つだけ用いてもよく、あるいは複数の熱交換構造を用いてもよい。

ここで、第二の塔において、低圧部が、第二の塔に含まれる回収部の全部と第二の塔に含まれる濃縮部の一部とを含み、高圧部が、第二の塔に含まれる濃縮部の一部を含む場合を考える。例えば、低圧塔が、第二の塔に含まれる回収部の上に第二の塔に含まれる濃縮部の一部を有し、高圧塔が、第二の塔に含まれる濃縮部の残りの部分を含む形態が、この場合に含まれる。このような形態では、低圧塔の塔頂部から排出される流体（低圧塔に含まれる濃縮部から排出される流体）を、コンプレッサーを経由して高圧塔の塔底部に送ることができるが、このとき、コンプレッサーの出口流体が持つ熱を、低圧塔の回収部内の流体に、熱交換によって与えることができる。例えば、低圧塔の回収部内（例えば低圧塔の塔底部のすぐ上の段）に熱交換構造を設け、低圧塔の塔頂部から排出される流体を、コンプレッサーとこの熱交換構造を経て高圧塔の塔底部に供給することができる。このような熱交換によって、低圧塔に含まれる濃縮部から、低圧塔に含まれる回収部へと熱を移動させることができる。このような構成の例は、特願２０１２−０８０５２５号（特開２０１３−２０８５６１号公報）に提案されている。

これらの熱交換の形態では、第二の塔のプロセス流体と、第二の塔の別のプロセス流体との間で熱交換を行っている。しかし、これらの流体以外の流体（例えば、第二の塔のプロセス流体ではない熱媒体）を介して熱交換を行う形態も可能である。

本願出願人と同一の出願人によって出願された特願２０１２−０８０５２５号および国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／０６６４９８（国際公開第２０１１／０４３１９９号パンフレット）の全体が、参照によって本明細書に取り込まれる。

〔第二の塔にＶＲＣを適用する場合〕
以下、第二の塔にＶＲＣを適用する場合について説明する。

この場合、第二の塔は、
リボイラーと、
第二の塔の塔頂部から排出される蒸気を前記リボイラーに熱源として供給する、昇圧手段を備えるラインと
を備えることができる。

第二の塔の塔頂部から排出される蒸気を、リボイラーにおいて、ＶＲＣの塔底液の加熱に用いた後、その流体を減圧してその温度を下げ、ＶＲＣの塔頂に還流として戻すことができる。

〔形態Ａ（ＨＩＤｉＣ）〕
図１に、本発明の蒸留塔の一形態（形態Ａ）の概略構成を示す。この蒸留塔は、第一の塔Ａ１と第二の塔Ａ２を有する。第二の塔は、ＨＩＤｉＣを構成し、高圧部として高圧塔Ａ３を有し、低圧部として低圧塔Ａ４を有する。原料は低圧塔の塔頂部に供給される。したがって、図１に示した蒸留塔の濃縮部の一部が第一の塔に含まれ、残部が高圧塔に含まれる。また、図１に示した蒸留塔の回収部の全部が、低圧塔に含まれる。

高圧塔の運転圧力は、低圧塔の運転圧力より高い。このために、蒸気用ラインＡ５にコンプレッサー等の昇圧手段Ａ６を設ける。低圧塔の塔頂から排出される蒸気を、昇圧手段によって加圧したうえで、高圧塔の塔底部に供給する。高圧塔の塔底部から排出される液は、液用ラインＡ７を通じて、低圧塔の塔頂部に供給される。必要に応じて、高圧塔の塔底部から排出される液を、減圧弁などの減圧手段によって減圧したうえで、低圧塔の塔頂部に供給することができる。また、配管の圧力損失や高低差などに起因して高圧塔と低圧塔との運転圧力差だけでは液を高圧塔から低圧塔に送ることができない場合など、必要に応じて送液のためにポンプを用いることができる。高圧塔の運転圧力を低圧塔の運転圧力より高くする理由は、高圧塔（特には高圧塔に含まれる濃縮部）の運転温度を低圧塔（特には低圧塔に含まれる回収部）の運転温度より高くするためである。

高圧塔に含まれる濃縮部から、低圧塔に含まれる回収部に、熱を移動させるための熱交換構造Ａ８が設けられる。なお、図１においては、熱交換構造の詳細構造は示されておらず、熱の移動が概念的に破線矢印によって示されている（図２〜４においても同様）。

低圧塔の塔底部から排出された液の一部が、リボイラーＡ９で加熱され、その少なくとも一部が気化されて低圧塔に戻される。低圧塔の塔底から排出された液の残りの部分は、缶出液として蒸留塔から排出される。

高圧塔の塔頂部から排出される蒸気が、ラインＡ１０を通して、第一の塔Ａ１の塔底部に供給される。また、第一の塔の塔底部から排出される液が、ラインＡ１１を通して、高圧塔の塔頂部に供給される。第一の塔の運転圧力は、高圧塔の運転圧力以下である。高圧塔の塔頂から排出される蒸気は必要に応じて、減圧弁などの減圧手段によって減圧したうえで、第一の塔の塔底部に供給することができる。また、第一の塔の塔底部から排出される液は、配管の圧力損失や高低差、第一の塔と高圧塔との運転圧力差により、第一の塔から高圧塔に送ることができない場合など、必要に応じて送液のためにポンプを用いることができる。
高圧塔の塔頂部にコンデンサーおよび還流ラインを設けなくてもよく（図１）、あるいは設けてもよい。また、第一の塔の塔底部にリボイラーを設けなくてもよく（図１）、あるいは設けてもよい。いずれの場合も、高圧塔の塔頂部（すなわち第二の塔の塔頂部）から排出される蒸気は、場合によって（還流として）高圧塔に戻される部分を除いて、その全量が第一の塔の塔底部に供給される。また、第一の塔の塔底部から排出される液は、場合によって（リボイルされて）第一の塔に戻される部分を除いて、その全量が、高圧塔の塔頂部（すなわち第二の塔の塔頂部）に供給される。

第一の塔の塔頂部から排出される蒸気は、塔頂コンデンサーＡ１２で冷却され、少なくとも一部が凝縮される。凝縮液の一部が第一の塔に還流され、残りの凝縮液（凝縮していない蒸気を伴ってもよい）は留出液として蒸留塔から排出される。

塔頂コンデンサーＡ１２周りの構成ならびにリボイラーＡ９周りの構成は、従来から知られた蒸留塔に適用される構成を採用することができる。例えば、必要に応じて塔頂コンデンサーの下流に還流ドラム（不図示）を設けることができる。

熱交換構造Ａ８によって、高圧塔の濃縮部の内部流体が冷却されるとともに、低圧塔の回収部の内部流体が加熱される。いわば、この熱交換構造は、図１に示した蒸留塔の濃縮部に設けられたサイドクーラーとして機能すると同時に、回収部に設けられたサイドリボイラーとして機能する。以上のような構成により、第二の塔に含まれる濃縮部から第二の塔に含まれる回収部に熱を移動させることができる。

このような熱交換構造によって、図１に示した蒸留塔の塔頂コンデンサーＡ１２およびリボイラーＡ９の熱負荷が軽減される。一方、コンプレッサーの所要動力が負荷として加わるが、この所要動力が十分小さく抑えられれば、蒸留塔の消費エネルギーを削減することができる。

形態Ａの蒸留塔は、塔頂に近い領域において殆どの塔内温度変化が発生するような従来型蒸留塔に替えて、好適に利用できる。従来型蒸留塔の塔内温度変化が小さな領域のみにＨＩＤｉＣを適用することにより、コンプレッサーの所用動力を抑えつつ、熱の有効利用を図ることができるからである。

〔形態Ｂ（ＨＩＤｉＣ）〕
図２に、本発明の蒸留塔の別の形態（形態Ｂ）の概略構成を示す。この蒸留塔は、第一の塔Ｂ１と第二の塔Ｂ２を有する。第二の塔は、ＨＩＤｉＣを構成し、高圧部として高圧塔Ｂ３を有し、低圧部として低圧塔Ｂ４を有する。原料は低圧塔の塔頂部に供給される。したがって、図２に示した蒸留塔の濃縮部の全部が高圧塔に含まれる。また、図２に示した蒸留塔の回収部の一部が低圧塔に含まれ、残部が第一の塔に含まれる。

高圧塔の運転圧力は、低圧塔の運転圧力より高い。このために、蒸気用ラインＢ５にコンプレッサー等の昇圧手段Ｂ６を設ける。低圧塔の塔頂から排出される蒸気を、昇圧手段によって加圧したうえで、高圧塔の塔底部に供給する。高圧塔の塔底部から排出される液は、液用ラインＢ７を通じて、低圧塔の塔頂部に供給される。必要に応じて、高圧塔の塔底部から排出される液を、減圧弁などの減圧手段によって減圧したうえで、低圧塔の塔頂部に供給することができる。また、配管の圧力損失や高低差などに起因して高圧塔と低圧塔との運転圧力差だけでは液を高圧塔から低圧塔に送ることができない場合など、必要に応じて送液のためにポンプを用いることができる。高圧塔の運転圧力を低圧塔の運転圧力より高くする理由は、高圧塔（特には高圧塔に含まれる濃縮部）の運転温度を低圧塔（特には低圧塔に含まれる回収部）の運転温度より高くするためである。

高圧塔に含まれる濃縮部から、低圧塔に含まれる回収部に、熱を移動させるための熱交換構造Ｂ８が設けられる。

高圧塔の塔頂部から排出される蒸気は、塔頂コンデンサーＢ１２で冷却され、少なくとも一部が凝縮される。凝縮液の一部が高圧塔に還流され、残りの凝縮液（凝縮していない蒸気を伴ってもよい）は留出液として蒸留塔から排出される。

低圧塔の塔底部から排出される液が、ラインＢ１１を通して、第一の塔の塔頂部に供給される。第一の塔の塔頂部から排出される蒸気が、ラインＢ１０を通して、低圧塔の塔底部に供給される。第一の塔の運転圧力は、低圧塔の運転圧力よりも僅かに高く設定される。この圧力差は、第一の塔の塔頂から排出される蒸気が、配管の圧力損失などに打ち勝ち、低圧塔の塔底部に供給することができる分に相当する。また、低圧塔の塔底部から排出される液に関しては、配管の圧力損失や高低差、第一の塔と低圧塔との運転圧力差により、低圧塔から第一の塔に送ることができない場合など、必要に応じて送液のためにポンプを用いることができる。

第一の塔の塔頂部にコンデンサーおよび還流ラインを設けなくてもよく（図２）、あるいは設けてもよい。また、低圧塔の塔底部にリボイラーを設けなくてもよく（図２）、あるいは設けてもよい。いずれの場合も、第一の塔の塔頂部から排出される蒸気は、場合によって（還流として）第一の塔に戻される部分を除いて、その全量が低圧塔の塔底部（すなわち第二の塔の塔底部）に供給される。また、低圧塔の塔底部（すなわち第二の塔の塔底部）から排出される液は、場合によって（リボイルされて）低圧塔の塔底部に戻される部分を除いて、その全量が第一の塔の塔頂部に供給される。

第一の塔の塔底部から排出された液の一部が、リボイラーＢ９で加熱され、その少なくとも一部が気化されて第一の塔に戻される。第一の塔の塔底部から排出された液の残りの部分は、缶出液として蒸留塔から排出される。

塔頂コンデンサーＢ１２周りの構成ならびにリボイラーＢ９周りの構成は、従来から知られた蒸留塔に適用される構成を採用することができる。例えば、必要に応じて塔頂コンデンサーの下流に気液分離ドラム（不図示）を設けることができる。

熱交換構造Ｂ８によって、高圧塔の濃縮部の内部流体が冷却されるとともに、低圧塔の回収部の内部流体が加熱される。いわば、この熱交換構造は、図２に示した蒸留塔の濃縮部に設けられたサイドクーラーとして機能すると同時に、回収部に設けられたサイドリボイラーとして機能する。以上のような構成により、第二の塔に含まれる濃縮部から第二の塔に含まれる回収部に熱を移動させることができる。

このような熱交換構造によって、図２に示した蒸留塔の塔頂コンデンサーＢ１２およびリボイラーＢ９の熱負荷が軽減される。一方、コンプレッサーの所要動力が負荷として加わるが、この所要動力が十分小さく抑えられれば、蒸留塔の消費エネルギーを削減することができる。

形態Ｂの蒸留塔は、塔底に近い領域において殆どの塔内温度変化が発生するような従来型蒸留塔に替えて、好適に利用できる。従来型蒸留塔の塔内温度の変化が小さな領域のみにＨＩＤｉＣを適用することにより、コンプレッサーの所用動力を抑えつつ、熱の有効利用を図ることができるからである。

〔形態Ｃ（ＶＲＣ）〕
図３に、本発明の蒸留塔のさらなる形態（形態Ｃ）の概略構成を示す。この蒸留塔は、第一の塔Ｃ１と第二の塔Ｃ２を有する。第二の塔は、ＶＲＣを構成する。原料は第二の塔の中間段に供給される。したがって、図３に示した蒸留塔の濃縮部の一部が第一の塔に含まれ、残部が第二の塔に含まれる。また図３に示した蒸留塔の回収部の全部が、第二の塔に含まれる。

第二の塔は、リボイラーＣ９を備える。第二の塔の塔頂部から排出される蒸気の一部が、ラインＣ５を経て、リボイラーに加熱源として供給される。すなわち、ラインＣ５はリボイラーの加熱源供給口に接続される。ラインＣ５には昇圧手段としてコンプレッサーＣ６が設けられる。コンプレッサーによって蒸気が昇圧されるとともに昇温されて、リボイラーに供給される。

リボイラーにおいて第二の塔の塔底から排出された液を加熱するために利用された流体は、ラインＣ７を経て、第二の塔の塔頂部に戻される。ラインＣ７には減圧弁Ｃ８が設けられ、ここでラインＣ７を流れる流体の圧力および温度が低下する。ラインＣ７から第二の塔に戻される流体の少なくとも一部が凝縮する。したがって、リボイラーＣ９は、第二の塔の塔頂コンデンサーとして機能することができる。

第二の塔の塔頂部から排出された蒸気の残部が、ラインＣ５から分岐したラインＣ４を経て、第一の塔の塔底部に送られる。第二の塔の塔頂部から排出された蒸気は、ラインＣ５およびＣ７を経て第二の塔に戻される部分を除き、その全量が第一の塔に供給される。

第一の塔の塔底部から排出される液は、ラインＣ３を経て、第二の塔の塔頂部に送られる。第一の塔の運転圧力は、第二の塔の運転圧力以下である。第二の塔の塔頂から排出される蒸気は必要に応じて、減圧弁などの減圧手段によって減圧したうえで、第一の塔の塔底部に供給することができる。また、第一の塔の塔底部から排出される液に関しては、配管の圧力損失や高低差、第一の塔と第二の塔との運転圧力差により、第一の塔から第二の塔に送ることができない場合など、必要に応じて送液のためにポンプを用いることができる。

第一の塔にリボイラーを設けなくてもよく（図３）、あるいは設けてもよい。いずれの場合も、第一の塔の塔底部から排出される液は、場合によって（リボイルされて）第一の塔に戻される部分を除いて、その全量が第二の塔の塔頂部に供給される。

第二の塔の塔底部から排出された液の一部が、リボイラーＣ９で加熱され、その少なくとも一部が気化されて第二の塔の塔底部に戻される。第二の塔の塔底から排出された液の残りの部分は、缶出液として蒸留塔から排出される。

第一の塔の塔頂部から排出される蒸気は、塔頂コンデンサーＣ１０で冷却され、少なくとも一部が凝縮される。凝縮液の一部が第一の塔の塔頂部に還流され、残りの凝縮液（凝縮していない蒸気を伴ってもよい）は留出液として蒸留塔から排出される。

塔頂コンデンサーＣ１０周りの構成は、従来から知られた蒸留塔に適用される構成を採用することができる。例えば、必要に応じて塔頂コンデンサーの下流に還流ドラム（不図示）を設けることができる。

リボイラーＣ９は、図３に示した蒸留塔のリボイラーとして機能するとともに、図３に示した蒸留塔のサイドクーラーとして機能する。コンプレッサーの所要動力が負荷として加わるが、この所要動力が十分小さく抑えられれば、蒸留塔の消費エネルギーを削減することができる。

形態Ｃの蒸留塔は、塔頂に近い領域において殆どの塔内温度変化が発生するような従来型蒸留塔に替えて、好適に利用できる。従来型蒸留塔の塔内温度の変化が小さな領域のみにＶＲＣを適用することにより、コンプレッサーの所用動力を抑えつつ、熱の有効利用を図ることができるからである。

〔形態Ｄ（ＶＲＣ）〕
図４に、本発明の蒸留塔のさらなる形態（形態Ｄ）の概略構成を示す。この蒸留塔は、第一の塔Ｄ１と第二の塔Ｄ２を有する。第二の塔は、ＶＲＣを構成する。原料は第二の塔の中間段に供給される。したがって、図４に示した蒸留塔の濃縮部の全部が第二の塔に含まれる。また図４に示した蒸留塔の回収部の一部が第二の塔に含まれ、残部が第一の塔に含まれる。

第二の塔は、リボイラーＤ９を備える。第二の塔の塔頂部から排出される蒸気の一部が、ラインＤ５を経て、リボイラーＤ９に加熱源として供給される。すなわち、ラインＤ５はリボイラーの加熱源供給口に接続される。ラインＤ５には昇圧手段としてコンプレッサーＤ６が設けられる。コンプレッサーによって蒸気が昇圧されるとともに昇温されてリボイラーに供給される。

リボイラーＤ９において第二の塔の塔底から排出された液を加熱するために利用された流体は、ラインＤ７を経て、第二の塔の塔頂部に戻される。ラインＤ７には減圧弁Ｄ８が設けられ、ここでラインＤ７を流れる流体の圧力および温度が低下する。ラインＤ７から第二の塔に戻される流体の少なくとも一部が凝縮する。したがって、リボイラーＤ９は、第二の塔の塔頂コンデンサーとして機能することができる。

第二の塔の塔頂部から排出される蒸気の残部は、塔頂コンデンサーＤ１０で冷却され、少なくとも一部が凝縮される。凝縮液の一部が第二の塔の塔頂部に還流され、残りの凝縮液（凝縮していない蒸気を伴ってもよい）は留出液として蒸留塔から排出される。

第二の塔の塔底部から排出された液の一部が、リボイラーＤ９で加熱され、その少なくとも一部が気化されて第二の塔の塔底部に戻される。第二の塔の塔底部から排出された液の残りの部分は、ラインＤ３を経て、第一の塔の塔頂部に送られる。第二の塔の塔底部から排出される液は、リボイラーＤ９でリボイルされて第二の塔に戻される部分を除いて、その全量が第一の塔の塔頂部に供給される。

第一の塔の塔頂部から排出された蒸気は、ラインＤ４を経て、第二の塔の塔底部に送られる。

第一の塔の運転圧力は、第二の塔のよりも僅かに高く設定される。この圧力差は、第一の塔の塔頂から排出される蒸気が、配管の圧力損失などに打ち勝ち、第二の塔の塔底部に供給することができる分に相当する。また、第二の塔の塔底部から排出される液に関しては、配管の圧力損失や高低差、第一の塔と第二の塔との運転圧力差により、第二の塔から第一の塔に送ることができない場合など、必要に応じて送液のためにポンプを用いることができる。
第一の塔の塔頂部に、コンデンサーおよび還流ラインを設けなくてもよく（図４）、あるいは設けてもよい。いずれの場合も、第一の塔の塔頂部から排出される蒸気は、場合によって（還流として）第一の塔に戻される部分を除き、その全量が第二の塔の塔底部に供給される。

第一の塔の塔底部から排出された液の一部がリボイラーＤ１１で加熱され、その少なくとも一部が気化されて第一の塔に戻される。第一の塔の塔底部から排出された液の残りの部分は、缶出液として蒸留塔から排出される。

塔頂コンデンサーＤ１０周りの構成ならびにリボイラーＤ１１周りの構成は、従来から知られた蒸留塔に適用される構成を採用することができる。例えば、必要に応じて塔頂コンデンサーの下流に還流ドラム（不図示）を設けることができる。

リボイラーＤ９は、図４に示した蒸留塔のサイドリボイラーとして機能するとともに、図４に示した蒸留塔の塔頂コンデンサーとして機能する。コンプレッサーの所要動力が負荷として加わるが、この所要動力が十分小さく抑えられれば、蒸留塔の消費エネルギーを削減することができる。

形態Ｄの蒸留塔は、塔底に近い領域において殆どの塔内温度変化が発生する従来型蒸留塔に替えて、好適に利用できる。従来型蒸留塔の塔内温度の変化が小さな領域のみにＶＲＣを適用することにより、コンプレッサーの所用動力を抑えつつ、熱の有効利用を図ることができるからである。

〔蒸留塔の温度プロファイル〕
図５に、蒸留塔の温度プロファイルの例を示す。このグラフは、後に詳述する比較例１における蒸留塔の温度プロファイルを示している（ただし、比較例１と条件が若干異なる）。この蒸留塔は、単一の塔で構成される従来型の蒸留塔である。横軸は蒸留塔の段数（塔頂から段数を数えるものとする）、縦軸は塔内温度を示す。

蒸留塔の総段数は５１段であり、塔頂温度は約１２０℃、塔底温度は約１５５℃である。この蒸留塔では、塔頂に近い領域において、図示される曲線の傾きが大きく、つまり塔内温度の変化が大きい。１０番目の段において、曲線の傾きの変化が最も大きい。

従来型の塔を本発明に従って第一の塔と第二の塔に分割する位置は、塔内温度プロファイルを示す曲線の傾きが最も大きい位置もしくはその近傍が好ましい。つまり、図５に示すような温度プロファイルを持つ従来型の蒸留塔については、例えば第１０段で塔を分割することが好ましい。換言すれば、前記形態Ａや形態Ｃの蒸留塔の温度プロファイルが図５に示すような曲線で表される場合、例えば、従来型蒸留塔の塔頂から第１０段までに相当するように第一の塔を構成し、従来型蒸留塔の残りの部分が第二の塔に相当するように第二の塔を構成することが好ましい。

場合によっては、塔頂に近い領域ではなく、塔底に近い領域において、塔内温度の変化が大きいことがある。そのような場合には、前記形態Ｂや形態Ｄが好適である。

温度プロファイルは蒸留塔の具体的な構成や運転条件によって変化しうるが、塔頂に近い領域の温度変化が大きい場合でも、塔底に近い領域の温度変化が大きい場合でも、概して、第一の塔の段数が従来型蒸留塔の総段数のおおよそ４０％以下になるように前記分割の位置を決めることができる。したがって、第一の塔の段数を、本発明の蒸留塔の総段数（第一の塔の段数と第二の塔の段数の合計）の４０％以下にすることができる。

〔ＨＩＤｉＣに用いられる熱交換構造の詳細〕
以下、ＨＩＤｉＣに用いられる熱交換構造の例について詳細に説明する。

・第一の詳細例
前述のａに記載したような熱交換構造、すなわち第二の塔に含まれる回収部から液を抜き出して熱交換器を経てその回収部に戻すよう構成される熱交換構造は、例えば次のような要素を含むことができる：
・第二の塔に含まれる濃縮部（濃縮部Ｘと称す）の或る段に配置された熱交換器；
・第二の塔に含まれる回収部（回収部Ｙと称す）の或る段に配置され、この段から一部の液を塔外部へ抜き出す液抜き部；
・液抜き部からの液をこの熱交換器へ導入する配管（第一の配管）；および、
・第一の配管を経由してこの熱交換器へ導入された後にこの熱交換器より流出する流体を、回収部Ｙの液抜き部の直下の段へ導入する配管（第二の配管）。

図９および１０を参照しつつ、これらの要素について説明する。図９に示すように、回収部Ｙに設けられる液抜き部は、回収部Ｙの上部から流下してきた液１０を液溜め用棚板１に溜め、液１０の一部をその塔の外部へ抜き出す。液抜き部には、液１０の一部を濃縮部Ｘ内の熱交換器へ向かわせる配管（第一の配管）２１が接続されている。また、液抜き部の直ぐ下の段には、この熱交換器からの配管２２（第二の配管）が回収部Ｙの外壁を貫通して挿入されている。液抜き部の直ぐ下の段（液溜め用棚板の直ぐ下の段）に挿入された配管２２からは、後述するように蒸気１１と液１２が混ざった流体が導入され、蒸気１１は上昇し、液１２は下へ落ちる。液抜き部は、液溜め用棚板１と、回収部Ｙの外壁に設けられた、第一の配管との接続口とを有する。

図１０に示すように、濃縮部Ｘの或る段にはチューブバンドル型熱交換器２が差し込まれている。チューブバンドル型熱交換器２のＵ形チューブにおける平行なチューブ部分は、凝縮した液を一度溜め且つ上昇蒸気を整流するための液溜め用トレイ３に沿って配されている。該平行なチューブ部分のうち下側のチューブ部分２ａは、回収部Ｙの液抜き部に接続された配管（第一の配管）２１と繋がっている。そして上側のチューブ部分２ｂは、液抜き部の直ぐ下の段に挿入されている配管（第二の配管）２２と繋がっている。

ここで、チューブバンドル型熱交換器２の作用について説明する。濃縮部Ｘ内を上昇する蒸気１３（図１０参照）は、チューブバンドル型熱交換器２のＵチューブと接触する。このとき、熱交換器２の下側のチューブ部分２ａには回収部Ｙの或る段における液が配管２１により導入されているため、このチューブ部分２ａ内の液が蒸気１３の熱で加熱されるとともに、チューブ部分２ａに接触した蒸気１３の一部は液１４となって下へと落ちる。さらに、熱交換器２の上側のチューブ部分２ｂも蒸気１３の熱で加熱されているので、配管２１から熱交換器２内に導入された液体は下側のチューブ部分２ａから上側のチューブ部分２ｂを移動するにつれて、液相と気相が混ざった流体に変わる。そして、この流体は塔外の配管２２を通って回収部Ｙの液抜き部（液溜め用棚板１）の直ぐ下の段に導入される（図９参照）。

回収部Ｙの液抜き部が、濃縮部Ｘの熱交換器より、鉛直方向において高い位置に設置されている場合、このような流体の循環においては、本構成がサーモサイフォン方式となっているため、ポンプなどの圧送手段を特に必要としない。

・第二の詳細例
前述のｂに記載したような熱交換構造、すなわち第二の塔に含まれる濃縮部から蒸気を抜き出して熱交換器を経てその濃縮部に戻すよう構成される熱交換構造は、例えば次のような要素を含むことができる：
・第二の塔に含まれる回収部（回収部Ｙ）の或る段に設けられ、上から流下してきた液を溜める液溜め部；
・前記液溜め部内に配置された熱交換器；
・第二の塔に含まれる濃縮部（濃縮部Ｘ）の内部に設けられた、上下の段を完全に仕切る仕切板；
・前記仕切板の下側の蒸気をこの熱交換器へ導入する配管（第三の配管）；
・第三の配管を経由してこの熱交換器へ導入された後にこの熱交換器より流出する流体を、前記仕切板の上側へ導入する配管（第四の配管）。

図１１を参照しつつ、これらの要素について説明する。回収部Ｙの或る段に設けられた液溜め部は、上から流下してきた液１０を液溜め用棚板４上に所定量貯留し、液溜め用棚板４から溢れた液は下へ落とせるようになっている。液溜め部に貯留された液の中にチューブバンドル型熱交換器２のＵチューブが浸漬されるように、液溜め部にチューブバンドル型熱交換器２が差し込まれている。チューブバンドル型熱交換器２のＵ形チューブにおける平行なチューブ部分２ａ，２ｂは、液溜め用棚板４に沿って配されている。

該平行なチューブ部分のうち上側のチューブ部分２ｂには、濃縮部Ｘから回収部Ｙへ流体を送る配管２３が接続されている。下側のチューブ部分２ａには、回収部Ｙから濃縮部Ｘへ流体を送る配管２４が接続されている。

ここで、液溜め部での熱交換器２の作用について説明する。回収部Ｙの上部から棚段或いは充填層を通って液が流下してくる。この液１０は、任意の段に設けられた液溜め用棚板４上の液溜め部に溜まる。液溜め部内にはチューブバンドル型熱交換器２のＵ形チューブが配置されているため、該Ｕ形チューブは液１０の中に浸漬されることとなる。この状態において熱交換器２の上側のチューブ部分２ｂに濃縮部Ｘ内の高温蒸気が配管２３によって導入されたとき、高温蒸気が移動するチューブ部分２ｂ，２ａの管壁と接している液１０の一部は加熱され蒸気１５になって上昇する。また配管２３から熱交換器２に導入された高温蒸気は、上側のチューブ部分２ｂから下側のチューブ部分２ａを移動するにつれて、液相と気相が混ざった流体、或いは液体に変わる。この流体は塔外の配管を通り、後述するような濃縮部Ｘの仕切板上の段に導入される。濃縮部Ｘの仕切板より上の領域は仕切板より下の領域よりも低い操作圧力に設定されており、この圧力差により流体の循環が行われる。回収部Ｙの熱交換器が、濃縮部Ｘの仕切り板より、鉛直方向において高い位置に設置されている場合、このような流体の循環においても、ポンプなどの圧送手段を特に必要としない。

つまり、濃縮部Ｘにおける或る段から回収部Ｙにおける熱交換器２の上側のチューブ部分２ｂまでを配管２３で接続し、回収部Ｙにおける熱交換器２の下側のチューブ部分２ａから濃縮部Ｘにおける前記の段までを配管２４で接続しているため、濃縮部Ｘの仕切板上下の圧力差により、濃縮部Ｘ内の高圧蒸気は回収部Ｙにおける熱交換器２に向かって配管２３を上昇し、これによって、熱交換器２内で蒸気から凝縮した液が回収部Ｙから塔外の配管２４に押し出され、濃縮部Ｘへ重力により流れる。したがって、ポンプなどの圧送手段は不要である。

濃縮部Ｘは途中の位置で仕切板により上下の段が完全に仕切られている。仕切板の直ぐ下の段は配管２３と連通しており、この段での上昇蒸気は、配管２３によって、回収部Ｙの液溜め部に配置された熱交換器２の上側のチューブ部分２ｂに送られる。仕切板の上側の段には、回収部Ｙからの配管２４が濃縮部Ｘの外壁を貫通して挿入されている。この配管２４から仕切板の上側の段に、蒸気と液が混ざった流体が導入され、濃縮部Ｘ内で蒸気は上昇し、液は下へ落ちて仕切板上に溜まる。また仕切板を挟んで上下に位置する二つの段は、制御弁を備えた配管により連絡可能となっている。仕切板上に溜まった液は、制御弁の開放操作により、仕切板の下方の段へ適時送られる。

本発明によれば、塔内温度差が大きい場合であっても、蒸留塔を大幅に省エネルギー化することが可能となる。特には、塔内温度分布において、塔頂付近あるいは塔底付近で塔頂−塔底温度差のうちの大きな温度変化、例えば塔頂−塔底温度差の半分程度の温度差を有する蒸留塔において、大幅な省エネルギー化を達成することができる。また、塔頂と塔底の温度差が小さい場合であっても、更なる省エネルギー化が可能となる。

以下実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。図６〜８に圧力（ｋＰａＡ）、温度（℃）、熱交換量（ＭＷ）および電力消費量（ＭＷ）を示すが、圧力は円の中に、温度は矩形の中に、熱交換量は長円の中に、電力消費量は長六角形の中に示す。圧力単位「ｋＰａＡ」における「Ａ」は、絶対圧を意味する。また、図中、ＣＷ、ＳＴＭはそれぞれ、冷却水、スチームを表す。

〔比較例１〕
パラキシレンにトルエンが混入した原料から、蒸留によってトルエンを分離して、パラキシレンを精製するパラキシレン精製塔について、熱物質収支をとった。本例では、従来型の蒸留塔を用いた。物質収支（原料、留出液、缶出液の流量および組成）を表１に示す。

この分離を従来型蒸留操作により分離する場合は、図６に示すようなフロー図となる。

図６に示すように、蒸留塔６０１に原料が供給される。蒸留塔の総段数はコンデンサー段、リボイラー段を含めて５１段であり、リボイラー負荷が最小となるような最適段に原料が供給される。

塔頂から圧力１３８ｋＰａＡ、１２３℃の蒸気が排出され、塔頂コンデンサー６０２で冷却水によって冷却されて全凝縮し、ドラム６０３を経てポンプ６０４に供給される。ポンプ６０４の出口液の一部が蒸留塔の塔頂部に還流され、残部が留出液として蒸留塔から排出される。

塔底部からは圧力２０６ｋＰａＡ、１６７℃の液が排出される。その液の一部がリボイラー６０５でスチームによって加熱され、その一部が気化し、蒸留塔の塔底部に戻される。塔底部から排出された液の残部は、ポンプ６０６で昇圧された後、缶出液として蒸留塔から排出される。

表２に、この蒸留塔の塔頂運転圧力、用役冷却負荷、用役加熱負荷、消費電力を示し、また総用役冷却負荷、総用役加熱負荷、総消費電力を示す。ここでいう用役冷却負荷は、用役による冷却の負荷であり、詳しくは、塔頂コンデンサー６０２において冷却水によって蒸留塔から取り除かれる熱量である。ここでいう用役加熱負荷は、用役による加熱の負荷であり、詳しくは、リボイラー６０５においてスチームによって蒸留塔に与えられる熱量である。

液を圧送するためのポンプについては、配管の圧力損失や、液を低い位置から高い位置に送るための揚程に相当する分だけ圧力を上昇させればよく、気体を圧縮するコンプレッサーに比べて消費電力は充分小さい。よって、実施例および比較例において、ポンプの消費電力は無視した。本例では、コンプレッサーは使用されないため、消費電力はゼロである。

〔比較例２〕
比較例１と同様に、パラキシレン精製塔について熱物質収支をとった。ただし、本例では、従来型蒸留塔に替えて、ＨＩＤｉＣを用いた。物質収支は、比較例１と同様であり、表１に示すとおりである。

この蒸留塔は、高圧塔７０１および低圧塔７０２を含む。高圧塔７０１は、低圧塔７０２より、鉛直方向下方に設置される。

低圧塔７０２の中間段（低圧塔の塔頂部に近い段）に、原料が供給される。低圧塔７０２において、原料供給位置より下は回収部であり、原料供給位置より上が本例の蒸留塔の濃縮部の一部である。高圧塔７０１は、本例の蒸留塔の濃縮部の残りの部分を含む。

低圧塔７０２の塔頂部から蒸気（１２３ｋＰａＡ、１４２℃）が抜き出され、コンプレッサーの圧縮工程中で凝縮しないよう、熱交換器７０３で１５５℃に加熱される。加熱された蒸気が、コンプレッサー７０４によって昇圧されると同時に昇温され（３５７ｋＰａＡ、１９０℃）、熱交換器７０５によって１８６℃に冷却され、高圧塔７０１の塔底部（３４２ｋＰａＡ、１８４℃）に供給される。低圧塔７０２の塔底部（１３６ｋＰａＡ、１５０℃）から抜き出される液の一部が、ポンプ７０６を経て、缶出液として蒸留塔から排出され、残りの部分は二つの流れに分岐される。分岐された一方の流れがリボイラー７０７でスチームによって加熱され、低圧塔７０２の塔底部に戻される。分岐された他方の流れは、熱交換器７０５で加熱されて低圧塔７０２の塔底部に戻される。コンプレッサー７０４における圧縮によって、高圧塔の運転温度は、低圧塔の運転温度より高くなる。熱交換器７０５はリボイラーとして機能するとともに、本例の蒸留塔のサイドクーラーとして機能する。この熱交換器において、ＨＩＤｉＣの内部熱交換が実現されている。つまり、熱交換器７０５における熱交換によって、リボイラー７０７の加熱負荷が低減され、省エネルギー化が図られている。

高圧塔７０１の塔底部から抜き出された液は、ポンプ７０８で昇圧され、熱交換器７０３で冷却されて、低圧塔７０２の塔頂部に供給される。ポンプ７０８は、低い位置から高い位置に液を送るために必要に応じて設けられる。

高圧塔の塔頂部（３４０ｋＰａＡ、１６１℃）から抜き出された蒸気の一部が、還流ドラム７０９に送られる。高圧塔の塔頂部から抜き出された蒸気の残りの部分は、三つの流れに分岐され、低圧塔７０２に設けられた三つの熱交換器７１０でそれぞれ冷却されて、ドラム７０９に送られる。

還流ドラム７０９には、熱交換器（塔頂コンデンサー）７１１が接続される。熱交換器７１１では、冷却媒体として冷却水が用いられる。ドラム７０９から蒸気が熱交換器７１１に流入し、冷却および凝縮されて、ドラム７０９に戻される。このドラムからの液がポンプ７１２で昇圧される。ポンプ７１２の出口液の一部が、高圧塔７０１の塔頂部に還流として戻される。ポンプ７１２の出口液の残りの部分が、留出液として蒸留塔から排出される。

低圧塔７０２（特にはその回収部）の三つの段に、先に熱交換構造の第二の詳細例にて詳述した、液溜め部７１３と、液溜め部に溜まった液に浸るように設けられたチューブバンドル型熱交換器７１０が設けられている（ただし、第二の詳細例で述べた仕切り板、第三および第四の配管は、ここでは採用していない）。

前述のように、高圧塔７０１の塔頂部から抜き出された蒸気の一部が三つの流れに分岐され、それぞれの流れが各熱交換器７１０を経た後にドラム７０９に送られる。高圧塔７０１の塔頂部から熱交換器７１０に蒸気を導くライン、熱交換器７１０、液溜め部７１３、熱交換器７１０から排出される流体をドラム７０９およびポンプ７１２を経て高圧塔７０１の塔頂部に戻すラインによって、ＨＩＤｉＣの熱交換構造が構成される。この熱交換構造によって、本例の蒸留塔の濃縮部の熱が本例の蒸留塔の回収部に移動する。熱交換器７１０は、本例の蒸留塔の塔頂コンデンサーとして機能するとともに、本例の蒸留塔のサイドリボイラーとして機能する。これによってＨＩＤｉＣの内部熱交換が実現され、省エネルギー化が図られる。

表２に、本例の蒸留塔の塔頂運転圧力、用役冷却負荷、用役加熱負荷、消費電力を示し、また総用役冷却負荷、総用役加熱負荷、総消費電力を示す。ここでいう用役冷却負荷は、用役による冷却の負荷であり、詳しくは、塔頂コンデンサー７１１において冷却水によって蒸留塔から取り除かれる熱量である。ここでいう用役加熱負荷は、用役による加熱の負荷であり、詳しくは、リボイラー７０７においてスチームによって蒸留塔に与えられる熱量である。三つの熱交換器７１０も塔頂コンデンサーとして機能するが、これらにおいては蒸留塔内の流体を用いて冷却を行っているため、外界に熱を取り出す必要がなく、用役冷却負荷はゼロである。熱交換器７０５もリボイラーとして機能するが、これにおいては、蒸留塔内の流体を加熱源として利用しているため、外界からリボイラーを加熱する必要がなく、したがって用役加熱負荷はゼロである。消費電力は、コンプレッサー７０４で消費される電力である。消費電力は、機械損失を含んだ値で示した。なお、機械損失は７％と想定しているので、消費電力は圧縮に必要な電力を１．０７倍した値となっている（他の例においても同様）。

省エネルギー指標ＥＳＩは、総用役加熱負荷と総消費電力（消費する電力を一次エネルギーに換算した値、一次エネルギー換算値＝電力÷０．３６６）との合計値が、従来型蒸留塔を用いた場合（比較例１）に対してどれだけ低減できたかを示す指標である。

〔実施例１〕
比較例１と同様に、パラキシレン精製塔について熱物質収支をとった。ただし、本例では従来型蒸留塔に替えて、本発明に従う、第一の塔および第二の塔を有する蒸留塔を用いた。第二の塔はＨＩＤｉＣを構成する。本例の蒸留塔は、比較例１の従来型蒸留塔（総段数５１段）と、総段数（第一の塔の段数と第二の塔の段数の合計）が同一となるような構成を有する。第一の塔の段数は、第一の塔における温度変化が、従来型蒸留塔における塔頂から塔底までの温度差のうちの約６５％を有するように設定されており、第一の塔の段数が総段数の１／３以下となっている。物質収支は、比較例１と同様であり、表１に示すとおりである。

本例の蒸留塔は、第一の塔８２１と第二の塔とを含む。第二の塔は、高圧塔８０１および低圧塔８０２を含む。高圧塔８０１は、低圧塔８０２より、鉛直方向下方に設置される。第一の塔８２１は、単一の塔で構成され、塔から排出される蒸気を昇圧および昇温するための、コンプレッサー等の昇圧手段を備えない。

低圧塔８０２の中間段（低圧塔の塔頂部に近い段）に、原料が供給される。低圧塔８０２において、原料供給位置より下は本例の蒸留塔の回収部である。本例の蒸留塔の濃縮部は、低圧塔８０２の原料供給位置より上の部分と、高圧塔８０１と、第一の塔８２１とに含まれる。

低圧塔８０２の塔頂部から蒸気（１２３ｋＰａＡ、１４６℃）が抜き出され、コンプレッサーの圧縮工程中に凝縮しないよう、熱交換器８０３で１５４℃に加熱される。加熱された蒸気が、コンプレッサー８０４によって昇圧されると同時に昇温され（２２７ｋＰａＡ、１７５℃）、熱交換器８０５によって１６８℃に冷却され、高圧塔８０１の塔底部（２１２ｋＰａＡ、１６８℃）に供給される。低圧塔８０２の塔底部（１３３ｋＰａＡ、１４９℃）から抜き出される液の一部が、ポンプ８０６を経て缶出液として蒸留塔から排出され、残りの部分は二つの流れに分岐される。分岐された一方の流れがリボイラー８０７でスチームによって加熱され、低圧塔８０２の塔底部に戻される。分岐された他方の流れは、熱交換器８０５で加熱されて低圧塔８０２の塔底部に戻される。コンプレッサー８０４における圧縮によって、高圧塔の運転温度は、低圧塔の運転温度より高くなる。熱交換器８０５はリボイラーとして機能するとともに、本例の蒸留塔のサイドクーラーとして機能する。この熱交換器において、ＨＩＤｉＣの内部熱交換が実現されている。つまり、熱交換器８０５における熱交換によって、リボイラー８０７の加熱負荷が低減され、省エネルギー化が図られている。

高圧塔８０１の塔底部から抜き出された液は、ポンプ８０８で昇圧されて、低圧塔８０２の塔頂部に供給される。ポンプ８０８は、低い位置から高い位置に液を送るために必要に応じて設けられる。

高圧塔の塔頂部（２１０ｋＰａＡ、１６６℃）から抜き出された蒸気の一部が、還流ドラム８０９に送られる。高圧塔の塔頂部から抜き出された蒸気の残りの部分は、四つの流れに分岐される。四つの流れのうちの三つが、低圧塔８０２に設けられた三つの熱交換器８１０でそれぞれ冷却されて、ドラム８０９に送られる。四つの流れのうちの残りの一つが、熱交換器８０３で冷却されて、ドラム８０９に送られる。

還流ドラム８０９には、熱交換器（第二の塔のコンデンサー）８１１が接続される。熱交換器８１１では、冷却媒体として冷却水が用いられる。ドラム８０９から蒸気が熱交換器８１１に流入し、冷却および凝縮されて、ドラム８０９に戻される。このドラムからの液がポンプ８１２で昇圧され、高圧塔８０１の塔頂部に還流として戻される。

低圧塔８０２（特にはその回収部）の三つの段に、先に熱交換構造の第二の詳細例にて詳述した、液溜め部８１３と、液溜め部に溜まった液に浸るように設けられたチューブバンドル型熱交換器８１０が設けられている（ただし、第二の詳細例で述べた仕切り板、第三および第四の配管は、ここでは採用していない）。

前述のように、高圧塔８０１の塔頂部から抜き出された蒸気の一部が四つの流れに分岐され、そのうちの三つの流れがそれぞれ熱交換器８１０を経た後にドラム８０９に送られる。高圧塔８０１の塔頂部から熱交換器８１０に蒸気を導くライン、熱交換器８１０、液溜め部８１３、熱交換器８１０から排出される流体をドラム８０９およびポンプ８１２を経て高圧塔８０１の塔頂部に戻すラインによって、ＨＩＤｉＣの熱交換構造が構成される。この熱交換構造によって、本例の蒸留塔の濃縮部の熱が本例の蒸留塔の回収部に移動する。熱交換器８１０は、本例の蒸留塔のサイドクーラーとして機能するとともに、本例の蒸留塔のサイドリボイラーとして機能する。これによってＨＩＤｉＣの内部熱交換が実現され、省エネルギー化が図られる。

以上述べた構成によって、ＨＩＤｉＣが構成される。つまり、以上の説明は、本例の蒸留塔のＨＩＤｉＣ部に関する。

ドラム８０９から、蒸気が第一の塔８２１の塔底部（１５２ｋＰａＡ、１５１℃）に供給される。

第一の塔の塔頂部（１３８ｋＰａＡ、１２３℃）から排出される蒸気が、塔頂コンデンサー８２２で冷却されて全凝縮し、ドラム８２３を経て、ポンプ８２４で昇圧される。昇圧された液の一部が第一の塔の塔頂部に戻され、残部が留出液として本例の蒸留塔から排出される。

第一の塔の塔底部から排出される液の一部が、リボイラー８２５においてスチームで加熱されて、第一の塔の塔底部に戻される。第一の塔の塔底部から排出される液の残部が、ポンプ８２６を経て、第二の塔の高圧塔８０１の塔頂部に送られる。

表２に、第一の塔の塔頂運転圧力、用役冷却負荷、用役加熱負荷、消費電力を示した。ここでいう用役冷却負荷は、用役による冷却の負荷であり、詳しくは、塔頂コンデンサー８２２において冷却水によって蒸留塔から取り除かれる熱量である。ここでいう用役加熱負荷は、用役による加熱の負荷であり、詳しくは、リボイラー８２５においてスチームによって蒸留塔に与えられる熱量である。第一の塔はコンプレッサーを備えないので、消費電力はゼロである。

また表２に、第二の塔の塔頂運転圧力、用役冷却負荷、用役加熱負荷、消費電力を示した。ここでいう用役冷却負荷は、詳しくは、熱交換器８１１において冷却水によって蒸留塔から取り除かれる熱量である。ここでいう用役加熱負荷は、詳しくは、リボイラー８０７においてスチームによって蒸留塔に与えられる熱量である。三つの熱交換器８１０も第二の塔のコンデンサーとして機能するが、これらにおいては蒸留塔内の流体を用いて冷却を行っているため、外界に熱を取り出す必要がなく、用役冷却負荷はゼロである。熱交換器８０５もリボイラーとして機能するが、これにおいては、蒸留塔内の流体を加熱源として利用しているため、外界からリボイラーを加熱する必要がなく、したがって用役加熱負荷はゼロである。消費電力は、コンプレッサー８０４で消費される電力である。

本例では、気液分離ドラム８０９、熱交換器（第二の塔のコンデンサー）８１１、およびポンプ８１２が用いられている。つまり本例の蒸留塔には、第二の塔（特にはその高圧塔）の塔頂部から排出される蒸気の一部を凝縮させるコンデンサー（プロセス流体以外の冷却媒体、例えば冷却水によって冷却される）が設けられ、このコンデンサーから排出される流体（第二の塔の塔頂部から排出される蒸気が冷却された流体）を気液分離する気液分離ドラムが設けられ、また、気液分離ドラムから排出される液を第二の塔の塔頂部に戻すポンプが設けられている。つまり、第二の塔に、塔頂コンデンサーを備える還流ラインが設けられている。これによって、第一の塔および第二の塔を含む蒸留塔の、運転の自由度および安定性が向上する。

表２からわかるように、実施例１においては、比較例１と比べて、約５５％と大幅なエネルギー削減が可能である。比較例２では、約２８％のエネルギー削減にとどまる。これは、必要な蒸留操作を、塔内温度差の比較的大きい領域と、温度差の比較的小さい領域とに二つに分け、前者には機械式ヒートポンプ式蒸留塔を適用せず（従来型の蒸留塔を用い）、後者にのみ機械式ヒートポンプ式蒸留塔を適用したことによる効果である。

Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１：第一の塔
Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２：第二の塔
Ａ３、Ｂ３：高圧塔
Ａ４、Ｂ４：低圧塔
Ａ６、Ｂ６、Ｃ６、Ｄ６：コンプレッサー
Ａ８、Ｂ８：熱交換構造
Ａ９、Ｂ９、Ｃ９、Ｄ９、Ｄ１１：リボイラー
Ａ１２、Ｂ１２、Ｃ１０、Ｄ１０：コンデンサー
Ｃ８、Ｄ８：減圧弁
１、４：液溜め用棚板
２：チューブバンドル型熱交換器
２ａ：下側チューブ部分
２ｂ：上側チューブ部分
３：液溜め用トレイ
１０、１２、１４：液
１１、１３、１５：蒸気
２１、２２、２３、２４：配管
６０１：従来型蒸留塔
６０２：コンデンサー
６０３：ドラム
６０４、６０６：ポンプ
６０５：リボイラー
７０１、８０１：高圧塔
７０２、８０２：低圧塔
７０３、７０５、８０３、８０５：熱交換器
７０４、８０４：コンプレッサー
７０６、７０８、７１２、８０６、８０８、８１２、８２４、８２６：ポンプ
７０７、８０７、８２５：リボイラー
７０９、８０９、８２３：ドラム
７１０、８１０：熱交換器（チューブバンドル型）
７１１、８１１、８２２：コンデンサー
７１３、８１３：液溜め部
８２１：第一の塔

Claims (2)

1. 濃縮部の一部または回収部の一部を含む第一の塔と、
   第一の塔が濃縮部の一部を含む場合には濃縮部の残部および回収部の全部を含み、第一の塔が回収部の一部を含む場合には回収部の残部と濃縮部の全部を含む、第二の塔と
   を有し、
   第二の塔が内部熱交換型蒸留塔を構成する蒸留塔であって、
   第二の塔が、
   第二の塔に含まれる濃縮部の全部もしくは一部を含み、相対的に高圧で気液接触を行う高圧部；
   第二の塔に含まれる回収部の全部もしくは一部を含み、相対的に低圧で気液接触を行う低圧部；
   前記低圧部の塔頂部から排出される蒸気を前記高圧部の塔底部に導く、昇圧手段を備える蒸気用ライン；
   前記高圧部の塔底部から排出される液を前記低圧部の塔頂部に導く液用ライン；および、
   第二の塔に含まれる濃縮部から第二の塔に含まれる回収部に熱交換によって熱を移動させるよう構成された熱交換構造
   を備える、蒸留塔。
2. 第一の塔の段数が、蒸留塔の総段数の４０％以下である請求項１記載の蒸留塔。

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