JP6566876B2 - 内部熱交換型蒸留塔の熱交換量調節方法 - Google Patents

Description

本発明は、内部熱交換型蒸留塔（Ｈｅａｔ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｃｏｌｕｍｎ、以下、ＨＩＤｉＣと称することがある。）における内部熱交換の熱交換量を調節する方法に関する。

蒸留分離操作は、工業プロセス全般で広く適用されているが、消費エネルギーが非常に大きい単位操作でもある。そのため産業界では消費エネルギーを低減できる蒸留装置の研究がなされてきた。こうした研究において、省エネルギー性に優れた蒸留装置としてＨＩＤｉＣが開発されてきた（特許文献１〜３）。

通常の蒸留塔では濃縮部（原料供給段より上の部分）の温度より、回収部（原料供給段より下の部分）の温度のほうが高い。ＨＩＤｉＣの基本思想によれば、コンプレッサーによるガスの圧縮を利用して濃縮部温度を回収部温度より高くし、熱交換によって濃縮部から回収部に熱を移動させる（内部熱交換と呼ばれる）。これにより、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削減することができ（内部熱交換が、これら入熱及び除熱の少なくとも一部を代替する）、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。

特許文献４（特許文献４の図７、８）には、コンプレッサー出口蒸気を、低圧塔塔底部の直近に存在する段に設けられた熱交換器に通すことによって、コンプレッサー出口蒸気から低圧塔の当該段に熱を移動させ、もって内部熱交換を行うことが開示される。

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

コンプレッサー出口蒸気を内部熱交換の熱源として用いる方法は、内部熱交換のために必要となる流体の移送を簡易な装置構成で効率的に行いうるという点で優れている。特許文献４の図７、８に示される内部熱交換方法も、この利点を有している。

発明者らが検討した、上記のような内部熱交換方法について図２を参照して説明する。この図に示したＨＩＤｉＣは、高圧塔１および低圧塔２を有する。低圧塔の中間段（塔底部以外の部分）にラインＬ１から原料が供給される。低圧塔の塔底にはリボイラーとして機能する熱交換構造３が設けられる。

低圧塔の塔頂蒸気（ラインＬ２）がコンプレッサー４に供給され、昇圧されると同時に昇温される。コンプレッサー出口蒸気（ラインＬ３）が熱交換構造３に送られ、熱交換構造３においてリボイラーの熱源として利用される。つまり、コンプレッサー出口蒸気（ラインＬ３）から、低圧塔の塔底に、熱が移動する。これによって内部熱交換が成立する。リボイラー熱源として利用された流体は、熱交換構造３からラインＬ５を経て高圧塔の塔底に送られる。

ところでＨＩＤｉＣの運転に際しては、内部熱交換による熱交換量を調節することが望まれることがある。しかし、上記のような内部熱交換方法では、熱交換量（熱交換構造３における熱交換量）を柔軟に調節することはできない。

本発明者らは、内部熱交換量を柔軟に調節可能な方法に関連して、図３に示すＨＩＤｉＣについて検討した。このＨＩＤｉＣは、コンプレッサー出口ラインＬ３を分岐して、熱交換構造３を通って高圧塔塔底部に至るライン（ラインＬ４、Ｌ５）と、熱交換構造３をバイパスするバイパスラインＬ６を有し、またラインＬ５およびＬ６のそれぞれに調節弁１１および１２を有する。

一般的に、一つのライン（Ｌ３）を分岐してバイパスライン（Ｌ６）を設け、両ラインの流量配分を調節する場合、元々のライン（Ｌ４、Ｌ５）と、バイパスライン（Ｌ６）とのそれぞれに調節弁（１１および１２）を設ける。調節弁は、調節弁内を通過する流体に圧力損失を与える機器であり、弁の開度を調節することによって、その開度と調節弁前後の圧力差に応じた量だけ流体を通す特性を持つ。この調節弁の特性上、運転の柔軟性及び安定性の面で、その系に応じた十分な圧力損失を調節弁により与えるのが一般的である。こういった面から、一方のラインのみに調節弁を設けただけでは、その調節弁に十分な圧力損失を確保することが難しく、両方のラインに調節弁を設置することが一般的である。両方のラインに調節弁を設置することによって両方のラインに十分な圧力損失を与えることが可能となり、任意の流量配分において系の圧力バランスを成り立たせ、柔軟な流量配分が実現される。

図３に示すプロセスの場合、調節弁１１および１２を用いて、コンプレッサー出口蒸気のうちの、熱交換構造３に流入する部分の流量（つまり、ラインＬ４、Ｌ５を通る流体の流量）と、熱交換構造をバイパスする部分（Ｌ６）の流量とを調節できる。熱交換構造３に流入するコンプレッサー出口蒸気の流量は、熱交換構造３における内部熱交換量に影響し、調節弁を用いてその流体の流量を増減させることによって、熱交換構造３における内部熱交換量の調節を柔軟に行うことができる。

この場合コンプレッサーによって昇圧された蒸気は、調節弁により減圧された後、高圧塔１へと導入される。高圧塔１の操作圧力は、実施しようとする内部熱交換（例えば、コンプレッサー出口蒸気を内部熱交換に利用するような内部熱交換構造３として示した形態とは異なる内部熱交換が存在する場合、その内部熱交換）の実現に必要な温度差、或いは、除熱が必要な部位に対し利用可能な冷却媒体の温度、塔頂ガスの払い出し圧力の制約等により設定される。一方、コンプレッサーの吐出圧力は、前述の考え方により設定された圧力で運転されている高圧塔１に圧縮蒸気を供給可能な程度以上で、かつ、昇圧に伴う昇温の結果コンプレッサー出口蒸気から低圧塔への熱移動が可能になる程度以上として設定する。これは、両者の圧力条件のうち、高い圧力を要する方の条件を満たすようコンプレッサーの吐出圧力が決定されることを意味するが、多くの場合のコンプレッサー吐出圧力は、前者である高圧塔１に圧縮蒸気を供給可能な程度として定まる。この場合、調節弁で生じる圧力損失分は、コンプレッサーの昇圧により補う必要がある。

したがって、上記のような場合、熱交換構造３における熱交換量を調整可能とするためにバイパスラインＬ６と調節弁１１、１２を設ける際には、調節弁における圧力損失を補うために、コンプレッサーの所要動力を大きくすることが必要となり、ＨＩＤｉＣの省エネルギー性が損なわれる。

本発明の目的は、ＨＩＤｉＣの省エネルギー性を高く保ったまま、内部熱交量を柔軟に調節することのできる、内部熱交換量の調節方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、
相対的に高圧で気液接触を行う高圧塔と、
相対的に低圧で気液接触を行う低圧塔と、
低圧塔の塔頂蒸気を昇圧するコンプレッサーと、
コンプレッサー出口蒸気の一部を、コンプレッサーから、熱交換構造を経由して、高圧塔の塔底に導く第１のラインと、ここで該熱交換構造は、コンプレッサー出口蒸気の前記一部から、低圧塔に熱を移動させる熱交換構造であり、
コンプレッサー出口蒸気の残部を、コンプレッサーから、前記熱交換構造をバイパスして、高圧塔の塔底に導く第２のラインと、
高圧塔の塔底液を、低圧塔の塔頂に導く第３のラインと
を含む内部熱交換型蒸留塔の、前記熱交換構造における熱交換量を調節する、内部熱交換型蒸留塔の熱交換量調節方法であって、
前記方法が、
前記熱交換構造に供給されるコンプレッサー出口蒸気を、前記熱交換構造において全凝縮させる工程と、
前記第１および第２のラインの蒸気が流れる部分には調節弁を設けず、前記第１のラインの熱交換構造より下流に液体用調節弁を設け、前記凝縮により得られた凝縮液の液ヘッドおよび／またはポンプによる凝縮液の昇圧を用いて液体用調節弁に要する圧力損失分を補いつつ、前記液体用調節弁を用いて、前記熱交換構造に入るコンプレッサー出口蒸気の流量を調節する工程と
を含む、内部熱交換型蒸留塔の熱交換量調節方法
が提供される。

この方法が、
凝縮液ポットを用いて、前記熱交換構造において凝縮する液の液面の変動を緩和する、或いは、液体用調節弁を蒸気が通り抜ける事象を抑制する工程を有する
ことができる。

本発明によれば、ＨＩＤｉＣの省エネルギー性を高く保ったまま、内部熱交換量を柔軟に調節することのできる、内部熱交換量の調節方法が提供される。

本発明の方法を実施するに好適なＨＩＤｉＣの構成を示す概念図である。 本発明者らが検討したＨＩＤｉＣの構成を示す概念図である。 本発明者らが検討したＨＩＤｉＣの別の構成を示す概念図である。 熱交換構造の詳細例を示す模式図である。 本発明の方法を実施するに好適な別のＨＩＤｉＣの構成を説明するための、概念的部分図である。 凝縮液ポットの例を説明するための概念図である。 本発明の方法を実施するに好適な更に別のＨＩＤｉＣの構成を説明するための、概念的部分図である。 本発明の方法を実施するに好適な更に別のＨＩＤｉＣの構成を説明するための、概念的部分図である。

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、以下、適宜図３に示す装置と対比しながら本発明について説明するが、図３に示す装置は参照用として発明者らが検討した装置であり、発明者らが知る限り、図３に示す装置は公知ではない。また、用語「液ヘッド」は、液体の位置ヘッドを意味する。

〔蒸留装置（ＨＩＤｉＣ）の基本構成〕
本発明を実施するに好適な蒸留装置は次の要素を含む（図１を参照）：高圧塔１、低圧塔２、コンプレッサー４、第１のライン（ラインＬ３、Ｌ４、Ｌ５）、第２のライン（ラインＬ３およびＬ６）、第３のラインＬ１４。コンプレッサー４には、ラインＬ２を経由して、低圧塔の塔頂蒸気が導入される。

図１に示される蒸留装置は、ＨＩＤｉＣを構成する。本発明は、このような蒸留装置の、熱交換構造３における熱交換量を調節する方法に関する。その方法は、次の工程を含む。
・熱交換構造３に供給されるコンプレッサー出口蒸気を、熱交換構造３において全凝縮させる工程。
・第１および第２のラインの蒸気が流れる部分には調節弁を設けず、第１のラインの熱交換構造３より下流に液体用調節弁１１を設け、そのうえで、
凝縮（熱交換構造３における全凝縮）により得られた凝縮液の液ヘッドを用いるか、ポンプにより凝縮液を昇圧するか、あるいは液ヘッドとポンプによる凝縮液の昇圧の両方を利用して、液体用調節弁１１に要する圧力損失分を補いつつ、
液体用調節弁１１を用いて、前記熱交換構造３に入るコンプレッサー出口蒸気の流量（ラインＬ４の流量）を調節する工程。

〔高圧塔、低圧塔、コンプレッサー〕
高圧塔１および低圧塔２のいずれにおいても気液接触を行うが、高圧塔１は、低圧塔２と比較して、相対的に高圧で気液接触を行う。低圧塔の塔頂蒸気は、コンプレッサーで昇圧された後、最終的に高圧塔塔底に供給される。したがって、コンプレッサー４によって、低圧塔よりも高圧塔を、高圧にすることができる。

コンプレッサーにおける昇圧は、所定の圧力で運転されている高圧塔１に圧縮蒸気を供給可能な程度以上で、かつ、昇圧に伴う昇温の結果、コンプレッサー出口蒸気から低圧塔への熱移動が可能になる程度以上に行う。尚、高圧塔１の操作圧力は、実施しようとする内部熱交換（例えば、コンプレッサー出口蒸気を内部熱交換に利用するような内部熱交換構造３として示した形態とは異なる内部熱交換が存在する場合、その内部熱交換）の実現に必要な温度差、或いは、除熱が必要な部位に対し利用可能な冷却媒体の温度、塔頂ガスの払い出し圧力の制約等により決定される。

高圧塔、低圧塔とも、従来型の蒸留塔（単一の塔で構成される蒸留塔）と同様に、気液接触促進のために、内部に棚段あるいは充填物を配することができる。

〔第１および第２のライン、熱交換構造〕
第１のラインは、コンプレッサー出口蒸気の一部を、コンプレッサーから、熱交換構造３を経由して、高圧塔１の塔底に導く（ラインＬ３、Ｌ４、Ｌ５）。第２のラインは、コンプレッサー出口蒸気の残部を、コンプレッサーから、熱交換構造３をバイパスして、高圧塔の塔底に導く（ラインＬ３およびＬ６）。図１において、ラインＬ３は、第１のラインと第２のラインとに兼用される。さらに、第１のライン、第２のラインは共に高圧塔１の塔底を終点とする。即ち、両ラインの始点の圧力は同じであり、また終点の圧力もほぼ等しくなる。ただし、第１のライン、第２のラインのどちらかあるいは両方が、高圧塔１の塔底の液面より低い位置に接続される場合には、高圧塔の塔底液による液ヘッドの作用分だけ両ラインの終点の圧力は異なる。第１のライン、第２のラインへと流れる蒸気の流量配分は、両ラインの始点、終点の圧力条件を満たすような圧力バランスに基づき定まる。なお、図１では、ラインＬ６の高圧塔への接続位置が、ラインＬ５の高圧塔への接続位置よりも高い位置にあるが、両ラインとも高圧塔の底部に接続され、どちらのラインが上にあっても構わない。あるいはこれらのラインの高圧塔への接続位置が同じ高さにあってもよい。

熱交換構造３は、コンプレッサー出口蒸気の一部（ラインＬ４から熱交換構造３に供給される部分）から、間接熱交換によって、低圧塔に熱を移動させる。図１は、熱の移動先を低圧塔のリボイラー段として示しているが、それに限らず、低圧塔の任意の段に熱を移動させることができる。

〔第３のライン、その他〕
第３のラインＬ１４は、高圧塔の塔底液を、低圧塔の塔頂に導く。この液の移送を、高圧塔と低圧塔との圧力差によって行うことができる場合もある。しかし、この圧力差だけではこの液を移送できない場合には、適宜ポンプを用いることができる。

ＨＩＤｉＣは、オーバーヘッドコンデンサー５を備えることができる。高圧塔１の塔頂ガスが、ラインＬ１１からオーバーヘッドコンデンサーに供給され、冷却され、少なくとも一部が凝縮される。得られる流体の一部がラインＬ１２を通じて高圧塔にリフラックスされ、残部がＨＩＤｉＣの留出液としてＬ１３から排出される。オーバーヘッドコンデンサーにおける冷却媒体としては、実現可能な冷却媒体の中から運転条件に合わせて適宜の流体を用いればよい。

また、図１には示していないが、ＨＩＤｉＣは、必要に応じて適宜の外部熱媒により加熱されるリボイラーを低圧塔に備えることができる。

〔熱交換量調節方法〕
ラインＬ４から熱交換構造３に供給されるコンプレッサー出口蒸気を、熱交換構造３において全凝縮させる。このためには、凝縮操作の際に想定される最大の熱交換量を達成することのできる熱交換能力を熱交換構造が持つように、熱交換構造を設計すればよい。

前記全凝縮の結果、熱交換構造３の出口から高圧塔塔底に至るラインＬ５を流れる流体は、液体である。液体ラインＬ５には液体用調節弁１１を設置し、この調節弁１１を用いてラインＬ５を流れる液体の流量、即ち熱交換構造３における蒸気凝縮量を調節することにより、熱交換構造３の熱交換量を調節することができる。

前述の通り、一般に、調節弁を通る流体に対し、運転の柔軟性及び安定性の面で、その系に応じた十分な圧力損失を調節弁により与える必要がある。本発明によれば、バイパスラインＬ６を通る蒸気に対し必要以上の圧力損失を調節弁等によって与えることなく、調節弁１１により柔軟な運転の制御を実現している。

これを実現するために、液体ラインＬ５、もしくは液体ラインＬ５および熱交換構造３内部に生じる凝縮液の液ヘッドを利用して、或いは、液体ラインＬ５に設置したポンプによる昇圧により、液体用調節弁１１に要する圧力損失分を補う。これによって、意図した流量配分において、第１のラインと第２のラインの両ラインの圧力バランスを同時に成り立たせることが可能となる。液ヘッドとポンプによる昇圧の両方を利用することもできる。このようにして、調節弁１１の柔軟な制御性に必要な圧力損失を十分に確保することができる。

液ヘッドを利用するには、ラインＬ５の高圧塔１への接続口及び高圧塔１の塔底液の液面高さよりも、熱交換構造３を高い位置に配置する。

ポンプを使用する場合は、熱交換構造３の凝縮液出口と高圧塔との間のラインＬ５にポンプを設ければよい。尚、ポンプによる液体の昇圧は、コンプレッサーによるガスの昇圧と比べて、はるかに消費動力が小さい。

液体用調節弁１１に要する圧力損失分を補って、第１のラインと第２のラインの両ラインの圧力バランスを同時に成り立たせるためには、気体による位置ヘッドを無視小とすると、第１のラインで生じる圧力損失分から、第２のラインの始点と終点の圧力差を差し引いた差圧分と等しいだけの圧力増が、液ヘッドまたはポンプによる昇圧、或いは液ヘッドとポンプによる昇圧の両方、によってもたらされればよい。ただし、第１のライン、第２のラインのどちらかあるいは両方が、高圧塔１の塔底の液面より低い位置に接続される場合には、高圧塔の塔底液による液ヘッドの作用分だけ必要な差圧分に差異が生じるので、この差異を勘案する。

ここで図４を用いて、ラインＬ５を流れる液体の流量を変化させる場合の熱交換構造内の現象について説明する。ここではシェル側３ａにコンプレッサー出口蒸気が流入し、チューブ側３ｂ（チューブ内）に低圧塔からの流体が流れるシェルアンドチューブ型熱交換器を熱交換構造３の例にして、説明する。ラインＬ４からコンプレッサー出口蒸気が、シェルの上部に供給され、チューブ内を流れる低圧塔塔底液によって冷却されて全凝縮し、シェルの下部からラインＬ５に排出される。シェル側の蒸気の凝縮のために有効に働く伝熱面積は、シェル側において液に浸かっていない部分（すなわち液面３ｃより上の部分）のチューブ表面積に相当し、シェル側において液に浸かっている部分のチューブ表面積と液に浸かっていない部分のチューブ表面積との間の比率は、熱交換構造で実現される総熱交換量に影響を与える。液面がシェル内の低い位置にあるほど、即ち凝縮に有効に働く伝熱面積が大きいほど、熱交換構造３における総熱交換量は増加する傾向となる。これは、シェル側蒸気の凝縮に有効に働く伝熱面の伝熱効率（単位面積あたりの熱交換量）が、シェル側が凝縮液に浸かっている部分の伝熱面の伝熱効率（単位面積あたりの熱交換量）より大きくなるという特性に起因している。

まず、或る定常状態（当初の定常状態）から、液体用調節弁１１の開度を大きくして、ラインＬ５を流れる液の流量を増加させた場合について説明する。この場合、シェル側からの液排出量が増加し、したがってシェル内の液面が下がる。すると凝縮に有効に働く伝熱面積が増加する。そのため熱交換構造３における熱交換量が増加する。熱交換量が増加すると、より多くの蒸気が凝縮する。したがって、シェルからラインＬ５に排出されるべき液の量が増える。その結果、当初の定常状態よりも、ラインＬ５の流量が大きい定常状態に移行することができる。一方、液体用調節弁１１の開度を小さくした場合は、上記と逆の現象が生じる。

つまり、液体用調節弁１１によってラインＬ５における液体流量が調節され、その結果、熱交換構造内の液面の位置が調節され（熱交換構造において液は全凝縮するため、熱交換構造内に液面が存在する）、熱交換構造にはその液面の位置に応じた熱交換能力が生じ、その結果、シェル側蒸気の凝縮量および内部熱交換量が調節される。コンプレッサー出口蒸気のうち、第１のラインを流れる流量（Ｌ４の流量）と、第２のラインを流れる流量（Ｌ６の流量）との流量配分は、熱交換構造３における凝縮量によって間接的に定まる。

換言すれば、図３に示す装置においては、第１および第２のラインを流れる流体の流量は次のようにして調節可能となる。なお、第１のラインと第２のライン（バイパスライン）を流れる流体の総流量は別の要因により定まっているとする。
１）バイパスライン（第２のライン）の調節弁１２によって、バイパスラインを流れる流体に適切な圧力損失を与える。つまり、意図した流量配分において、第１のラインと第２のラインの両ラインの圧力バランスが同時に成り立つ程度の圧力損失をバイパスラインに設ける。
２）上記１）の結果、第１のラインの調節弁１１によって、第１のラインの流量を調節でき、したがって熱交換構造３における熱交換量が調整できる。
３）上記２）の結果、バイパスラインの流量が間接的に定まる。

これに対して本発明によれば、上記１）を無くしても（調節弁１２を使用せずに）、上記２）の熱交換構造３における熱交換量が調整でき、上記３）も実現できる。即ち、本発明では、調節弁１１によって柔軟な流量配分を実現するための方法として、第２のラインに調節弁等で圧力損失を与えて第１のライン及び第２のラインの圧力バランスを同時に成り立たせるのではなく、第１のライン内部の液ヘッド等を利用して第１のライン及び第２のラインの圧力バランスを同時に成り立たせる。

このように、液体ラインＬ５、もしくは液体ラインＬ５および熱交換構造３内部に生じる凝縮液の液ヘッドの利用、或いは、液体ラインＬ５に設置したポンプの昇圧等により、第２のラインに調節弁を設けることなく、調節弁１１での柔軟な運転制御を実現することで、熱交換構造３の熱交換量、つまりＨＩＤｉＣにおける内部熱交換量を調節することができる。

前述のように、コンプレッサー出口蒸気を高圧塔塔底に導くライン、すなわち第１および第２のラインにはガス用調節弁を設けない。つまり、第１および第２のラインの、蒸気が流れる部分（ラインＬ３、Ｌ４、Ｌ６）には、調節弁を設置しない。第２のライン（Ｌ３、Ｌ６）には調節弁は不要である。ただし、遮断弁のような運転の調整を本来の目的としない弁に関しては、通常運転時に圧力損失をほとんど与えないため、第１および第２のラインの蒸気が流れる部分にも設置することができる。

このように、本発明によれば、バイパスラインを使用しつつも、ガス用調節弁を用いず、液体用調節弁を使用するだけで、内部熱交換量を調節することができる。したがって、調節弁で生じる圧力損失をコンプレッサーの昇圧により補う必要がなくなるという面で、ＨＩＤｉＣの省エネルギー性は損なわれない。

〔凝縮液ポット〕
先に、図４を用いて、或る定常状態から別の定常状態に移行できることについて説明した。しかし、液体用調節弁１１の開度を急激に変化させる場合など、一時的にではあるが、熱交換構造内の凝縮液が枯渇する、あるいは、熱交換構造から凝縮液が溢れる、といった現象が生じる可能性も考えられる。このような現象が懸念される場合、凝縮液ポットを用いて凝縮液の容量を増大させ、その結果、熱交換構造内の液面の変動を緩和し、前述のような現象を回避することができる。つまり、熱交換構造において凝縮する液の液面の変動速度および変動幅を抑制することができる。

凝縮液ポットを用いる形態の例について、図５および６を用いて説明する。コンプレッサー出口ラインＬ３がラインＬ４とＬ６とに分岐され、さらにＬ４がラインＬ２１とＬ２２とに分岐される。ラインＬ２１は凝縮液ポット６に接続され、ラインＬ２２は熱交換構造３に接続される。熱交換構造３で凝縮した液がラインＬ２３から凝縮液ポット６に供給される。

図６に示す形態では、凝縮液ポット６は、鉛直方向において、熱交換構造３内の液面３ｃが存在しうる領域を全て含むように設けられる。例えば、鉛直方向において、熱交換構造３のシェルが存在する領域を全て含むように、凝縮液ポット６を設けることができる。熱交換構造の片側（図６ではシェル側）はラインＬ２１、Ｌ２２およびＬ２３によって凝縮液ポット６と連通している。したがって、熱交換構造の片側（図６ではシェル側）と凝縮液ポット内において、同じ高さの液面が形成される。

このように、熱交換構造内部に生じる凝縮液の液面と、凝縮液ポット内の液面を連動させることにより、凝縮液量の増減或いは凝縮液の排出量の増減は、熱交換構造内部の液面変動による液容量の増減分と凝縮液ポット内部の液面変動による液容量の増減分の総和に相当すると言える。したがって凝縮液ポットの容量を凝縮液量の増減或いは凝縮液の排出量の増減に利用することができ、これにより液面の変動速度を小さくし、前述のような現象を回避することが可能となる。

その他、熱交換構造或いはその内部の液面より低い位置に凝縮液ポットを設けることにより、凝縮液の枯渇により液体用調節弁を蒸気が通り抜けるという事象を回避することができる。液体用調節弁に蒸気或いは蒸気と液の混合流体が通り抜けると、熱交換構造に入る蒸気の流量を適切に調節することが困難となる可能性がある。こういった目的の凝縮液ポットを設ける場合、熱交換構造内部の液面変動速度に対し凝縮液ポットは関与しないが、前述の凝縮液ポットよりも凝縮液ポットを小さくできる。また、液面変動速度を小さくしたくない場合において、液体用調節弁に蒸気が通り抜けるという事象を防止する方法としても採用できる。なお、熱交換構造或いはその内部の液面より低い位置に凝縮液ポットを設ける場合、熱交換構造内部に生じる液面３ｃに対応する液面が、図６のＬ２１内に生じる。

なお、図５においては、ＨＩＤｉＣの一部を省略している。また、リボイラーに塔底液を送るラインＬ８と、缶出液として塔底液を排出するラインＬ９とを、低圧塔の塔底から別々に取り出している（図１におけるラインＬ７は存在しない）。

〔熱交換構造の詳細〕
図１に示した形態では、熱交換構造３として、低圧塔の外に（かつ高圧塔の外に）設けた熱交換器を用いる。低圧塔の塔底液をラインＬ７に抜き出し、その液の一部を、ラインＬ８から熱交換器に供給して加熱し、好ましくはその一部もしくは全部を蒸発させ、低圧塔に戻す。低圧塔塔底液の残部は、ラインＬ９から、缶出液として排出される。つまり図１では、熱交換構造３がＨＩＤｉＣのリボイラーとして機能する例を示している。

このような熱交換構造としては、シェルアンドチューブ型熱交換器やプレートフィン型熱交換器など、適宜公知の熱交換器を用いることができる。図４ではコンプレッサー出口蒸気をシェル側に流したが、チューブ側に流してもよい。

あるいは、図７に示すように、Ｕチューブを用いたチューブバンドル型熱交換器を低圧塔の塔底部の内部に差し込むことによって、熱交換構造３を構成することができる。チューブバンドル型熱交換器は、Ｕチューブが横向きになるよう設けられ、Ｕ型チューブの一端（より高い位置に配される）がラインＬ４に接続され、他端（より低い位置に配される）がラインＬ５に接続される。ラインＬ４からコンプレッサー出口蒸気の一部がチューブバンドル型熱交換器に入り、全凝縮してＬ５から排出される。

〔コンプレッサー出口蒸気からの熱を受け取る箇所〕
図１、５、７に示す形態では、ラインＬ４のコンプレッサー出口蒸気から、低圧塔２の塔底部に、熱を移動させている。しかし、その限りではなく、図８に示すように、ラインＬ４のコンプレッサー出口蒸気から、低圧塔の中間段に熱を移動させてもよい。コンプレッサー出口蒸気からの熱を受け取る箇所は、低圧塔の任意の段であってよい。なお図１に示す形態からも明らかなように、本発明に関して、用語「低圧塔」は、リボイラー段を含むものと理解される。

図８に示す形態のＨＩＤｉＣでは、低圧塔の中間段から流体を抜き出し、低圧塔外かつ高圧塔外に設けた熱交換器（熱交換構造３）において抜き出した流体を加熱して、低圧塔に戻している。より詳しくは、低圧塔の中間段から液体を抜き出し、熱交換構造３において液体を加熱し、好ましくはその一部もしくは全部を蒸発させ、前記中間段の直下の段に戻すことができる。また、図７に示したようなチューブバンドル型熱交換器を、低圧塔の中間段に差し込んでもよい。

〔その他の熱交換構造〕
本発明においては、ＨＩＤｉＣがコンプレッサー出口蒸気の一部から低圧塔に熱を移動させる熱交換構造を有する。ＨＩＤｉＣは、この熱交換構造に加えて、ＨＩＤｉＣの構成として公知の他の熱交換構造、例えば、コンプレッサー出口蒸気とは異なる、高圧塔１内の流体を熱源とする内部熱交換、を有していてもよい。

〔実施例１〕
次の点を除いて図１に示した構成を有するＨＩＤｉＣにつき、熱物質収支をとった。
・熱交換構造の設置形態は、図８に示す形態とする。すなわち、低圧塔の中間段から流体を抜き出し、低圧塔外かつ高圧塔外に設けた熱交換器（熱交換構造３）において抜き出した流体を加熱して、低圧塔に戻す。
・低圧塔の塔底部に、外部熱媒により加熱されるリボイラー（不図示）が備わる。図１に示すような、リボイラーとして働く熱交換構造３は存在しない。

なお、実施例１において、コンプレッサーの吐出圧力は、高圧塔１に圧縮蒸気を供給可能な程度の圧力として設定される。

ラインＬ１から低圧塔２に供給される原料の条件を表１に示す。なお「Ｃ８」は「炭素数が８である」ことを意味し、「Ｃ１０^＋化合物」は、炭素数１０以上の化合物を意味する。また圧力は絶対圧で示す（他の表においても同じ）。

製品に求められる仕様は表２に記載されるとおりとした。

〔比較例１〕
ＨＩＤｉＣではない通常の蒸留塔、つまり単一の塔からなる蒸留塔（オーバーヘッドコンデンサーとリボイラーを備える）について、原料条件と製品仕様を実施例１と同様にして、熱物質収支をとった。

〔比較例２〕
次の点を除いて図３に示した構成を有するＨＩＤｉＣについて、熱物質収支をとった。
・熱交換構造の設置形態は、図８に示す形態とする。すなわち、低圧塔の中間段から流体を抜き出し、低圧塔外かつ高圧塔外に設けた熱交換器（熱交換構造３）において抜き出した流体を加熱して、低圧塔に戻す。
・低圧塔の塔底部に、外部熱媒により加熱されるリボイラー（不図示）が備わる。図１に示すような、リボイラーとして働く熱交換構造３は存在しない。

この例では、蒸気バイパスラインＬ６のガス用調節弁１２により加わる圧力損失として５０ｋＰａを考慮した。これに伴い、比較例２のコンプレッサー４の吐出圧力を実施例１の吐出圧力よりも５０ｋＰａ高く設定する。このように、バイパスラインＬ６にガス用調節弁１２を設置してコンプレッサー吐出圧力を５０ｋＰａ高く設定した点を除いて、比較例２は実施例１と同じ条件、同じ構成で熱物質収支をとっている。このため、コンプレッサー吐出圧力の違いに起因するコンプレッサー動力の差異は、実施例１と比較例１の間の省エネルギー性指標の差の直接的な原因となる。

表３に、外部冷媒によるコンデンサー５の負荷、外部熱媒によるリボイラー（不図示）の負荷、コンプレッサー４の動力、コンプレッサーの動力を一次エネルギーに換算した換算値、省エネルギー性指標を示す。一次エネルギー換算値は、発電効率３６．６％を想定して、「（コンプレッサー動力）÷０．３６６」として求めた。省エネルギー性指標は、次式により算出した。省エネルギー性指標が大きいほど、省エネルギー性能が良い。
（省エネルギー性指標［％］）＝［１−｛（ＨＩＤｉＣにおける外部熱媒のリボイラー負荷）＋（コンプレッサー動力一次エネルギー換算値）｝／（通常蒸留操作における外部熱媒のリボイラー負荷）］×１００
ここで、通常蒸留操作の外部熱媒によるリボイラー負荷とは、比較例１におけるリボイラー負荷を意味する。

表４に、コンプレッサー動力算出条件の詳細を示す。

比較例２においては、ガス用調節弁１２における圧力損失に起因して、コンプレッサー所要動力が実施例１より大きい。従って、実施例１の省エネルギー性が、比較例２の省エネルギー性よりも優れている。

１ 高圧塔（高圧部）
２ 低圧塔（低圧部）
３ 熱交換構造
４ コンプレッサー
５ オーバーヘッドコンデンサー
６ 凝縮液ポット
１１、１２ 調節弁

Claims (2)

1. 相対的に高圧で気液接触を行う高圧塔と、
   相対的に低圧で気液接触を行う低圧塔と、
   低圧塔の塔頂蒸気を昇圧するコンプレッサーと、
   コンプレッサー出口蒸気の一部を、コンプレッサーから、熱交換構造を経由して、高圧塔の塔底に導く第１のラインと、ここで該熱交換構造は、コンプレッサー出口蒸気の前記一部から、低圧塔に熱を移動させる熱交換構造であり、
   コンプレッサー出口蒸気の残部を、コンプレッサーから、前記熱交換構造をバイパスして、高圧塔の塔底に導く第２のラインと、
   高圧塔の塔底液を、低圧塔の塔頂に導く第３のラインと
   を含む内部熱交換型蒸留塔の、前記熱交換構造における熱交換量を調節する、内部熱交換型蒸留塔の熱交換量調節方法であって、
   前記方法が、
   前記熱交換構造に供給されるコンプレッサー出口蒸気を、前記熱交換構造において全凝縮させる工程と、
   前記第１および第２のラインの蒸気が流れる部分には調節弁を設けず、前記第１のラインの熱交換構造より下流に液体用調節弁を設け、前記凝縮により得られた凝縮液の液ヘッドおよび／またはポンプによる凝縮液の昇圧を用いて液体用調節弁に要する圧力損失分を補いつつ、前記液体用調節弁を用いて、前記熱交換構造に入るコンプレッサー出口蒸気の流量を調節する工程と
   を含む、内部熱交換型蒸留塔の熱交換量調節方法。
2. 凝縮液ポットを用いて、前記熱交換構造において凝縮する液の液面の変動を緩和する、或いは、液体用調節弁を蒸気が通り抜ける事象を抑制する工程を有する、請求項１記載の方法。