JP6612999B1 - 蒸留装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒートポンプを用いて省エネルギーを図り、かつ、ヒートポンプに消費されるエネルギーを抑制し、さらに高い省エネルギー効果を得ることが可能な蒸留装置を提供する。【解決手段】低沸点成分を高沸点成分よりも高濃度で含有する原料液を蒸留して低沸点成分と高沸点成分とを分離するのに用いられる蒸留装置１００において、蒸留塔を第１、第２、第３の３つの蒸留塔に分け、第１蒸留塔が第１リボイラ、第２蒸留塔が第２リボイラ、第３蒸留塔が第３リボイラを備え、塔頂コンデンサ２１の冷却水の熱を、第１リボイラ用の第１ヒートポンプＨＰ１、第２リボイラ用の第２ヒートポンプＨＰ２、第３リボイラ用の第３ヒートポンプＨＰ３の３つのヒートポンプに振り分け、各ヒートポンプで汲み上げた熱を、第１、第２、第３リボイラに供給し、かつ第３ヒートポンプおよび第２ヒートポンプのＣＯＰが第１ヒートポンプのＣＯＰより０．５以上大きくなるようにする。【選択図】図１
Description
本発明は、低沸点成分と高沸点成分とを含む原料液を蒸留するための蒸留装置であって、詳しくは、ヒートポンプを用いて省エネルギーを図るようにした蒸留装置に関する。
蒸留装置における省エネルギー化の必要性は近年、益々増大しており、種々の提案が行われている。
そのような省エネルギー技術の１つとして、蒸留装置にヒートポンプを組み込んで、熱効率を向上させるようにした蒸留装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１の蒸留装置は、蒸留塔と、蒸留コンデンサと、蒸留リボイラと、蒸留コンデンサから流出した第一出力流体を蒸留塔に戻すための還流用の配管とを備える蒸留装置である。
そして、この蒸留装置は、作動媒体（水）が蒸留コンデンサで受け取った熱を蒸留リボイラに与えるためのヒートポンプを備えている。ヒートポンプは、蒸留コンデンサと蒸留リボイラを接続するとともに作動媒体が循環する循環流路と、蒸留コンデンサで蒸発した後の作動媒体を圧縮する圧縮機と、蒸留リボイラで熱を与えた後の作動媒体を減圧（膨張）させる減圧弁とを備えた構成とされている。
そして、この蒸留装置によれば、蒸留塔の頂部から流出した第一出力流体の有する熱エネルギーが、ヒートポンプによって蒸留リボイラにおいて有効に回収され、第一出力流体の熱エネルギーの有効利用により、蒸留リボイラにおける第二出力流体の加熱に必要な熱エネルギーの削減を図ることが可能になるとされている。
ところで、蒸留装置における省エネルギー化を図る方法の一つとして、上述のようにヒートポンプを利用する方法は、極めて有効な方法の一つであると考えられる。
しかしながら、蒸留塔の塔頂ベーパを冷却するためのコンデンサの冷却水から熱を回収し、加熱源としてリボイラに供給しようとすると、ヒートポンプとして高圧縮のタイプのものを用いることが必要となる。その結果、ヒートポンプの成績効率（ＣＯＰ）は小さくなり、省エネルギー効果も小さくなるという問題点がある。
本発明は、上記課題を解決するものであり、蒸留装置にヒートポンプを用いて省エネルギーを図るとともに、ヒートポンプに消費されるエネルギーを抑制して、さらなる省エネルギー効果を得ることが可能な蒸留装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の蒸留装置は、
高沸点成分と低沸点成分とを含有する液の蒸留を行い、前記低沸点成分を主成分とする第３塔頂ベーパと、前記低沸点成分よりも前記高沸点成分を高い割合で含有する第３塔底液に分離する第３蒸留塔であって、下記塔頂コンデンサにおける凝縮液の一部が還流液として塔頂に還流されるように構成された第３蒸留塔と、
前記第３蒸留塔が備える第３リボイラであって、前記高沸点成分と前記低沸点成分とを含有する原料液の一部と、当該第３リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第３塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパを前記第３蒸留塔の塔底に供給する第３リボイラと、
前記第３蒸留塔の塔頂から取り出される前記低沸点成分を主成分とする前記第３塔頂ベーパを塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して凝縮させた、前記低沸点成分を主成分とする凝縮液のうちの一部が前記第３蒸留塔に還流され、前記第３蒸留塔に還流される前記一部を除いた残部が留出液として回収されるように構成された塔頂コンデンサと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第３リボイラに第３リボイラ用高温水として供給するように構成された第３ヒートポンプと、
前記第３リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第３塔底液との混合液の一部が塔頂から供給され、かつ、下記第２リボイラにおいて蒸発したベーパが塔底から供給されることにより蒸留が行われて、塔頂から第２塔頂ベーパが取り出され、塔底から第２塔底液が取り出されるとともに、前記第２塔頂ベーパが前記第３蒸留塔の塔底に供給されるように構成された第２蒸留塔と、
前記第２蒸留塔が備える第２リボイラであって、前記原料液のうちの、前記第３リボイラに供給された一部を除いた残部と、当該第２リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第２塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパを前記第２蒸留塔の塔底に供給する第２リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、前記第３ヒートポンプに送られた一部と下記第１ヒートポンプに送られる他の一部とを除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第２リボイラに第２リボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプと、
前記第２リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第２塔底液との混合液の一部が塔頂から供給され、かつ、下記第１リボイラにおいて蒸発したベーパが塔底から供給されることにより、塔頂から取り出される第１塔頂ベーパと、塔底から取り出される、前記低沸点成分をほとんど含まない第１塔底液とに分離されるとともに、前記第１塔頂ベーパが前記第２蒸留塔の塔底に供給されるように構成された第１蒸留塔と、
前記第１塔底液を循環させて加熱・蒸発させ、前記第１蒸留塔の塔底に供給する第１リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、前記第３ヒートポンプに送られた一部と前記第２ヒートポンプに送られた他の一部を除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第１リボイラに第１リボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプと、
前記第３ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第３リボイラに供給される前記第３リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１５℃以上４０℃以下の範囲で高く、前記第２ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第２リボイラに供給される前記第２リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも２５℃以上５０℃以下の範囲で高く、前記第１ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第１リボイラに供給される前記第１リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で高いという条件が満たされる操作圧となるように、前記塔頂コンデンサを経て真空吸引し、系内を減圧にする真空ポンプと
を備え、
前記第３ヒートポンプおよび前記第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、それぞれ、前記第１ヒートポンプのＣＯＰの値より０．５以上大きくなるように構成されていること
を特徴としている。
高沸点成分と低沸点成分とを含有する液の蒸留を行い、前記低沸点成分を主成分とする第３塔頂ベーパと、前記低沸点成分よりも前記高沸点成分を高い割合で含有する第３塔底液に分離する第３蒸留塔であって、下記塔頂コンデンサにおける凝縮液の一部が還流液として塔頂に還流されるように構成された第３蒸留塔と、
前記第３蒸留塔が備える第３リボイラであって、前記高沸点成分と前記低沸点成分とを含有する原料液の一部と、当該第３リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第３塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパを前記第３蒸留塔の塔底に供給する第３リボイラと、
前記第３蒸留塔の塔頂から取り出される前記低沸点成分を主成分とする前記第３塔頂ベーパを塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して凝縮させた、前記低沸点成分を主成分とする凝縮液のうちの一部が前記第３蒸留塔に還流され、前記第３蒸留塔に還流される前記一部を除いた残部が留出液として回収されるように構成された塔頂コンデンサと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第３リボイラに第３リボイラ用高温水として供給するように構成された第３ヒートポンプと、
前記第３リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第３塔底液との混合液の一部が塔頂から供給され、かつ、下記第２リボイラにおいて蒸発したベーパが塔底から供給されることにより蒸留が行われて、塔頂から第２塔頂ベーパが取り出され、塔底から第２塔底液が取り出されるとともに、前記第２塔頂ベーパが前記第３蒸留塔の塔底に供給されるように構成された第２蒸留塔と、
前記第２蒸留塔が備える第２リボイラであって、前記原料液のうちの、前記第３リボイラに供給された一部を除いた残部と、当該第２リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第２塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパを前記第２蒸留塔の塔底に供給する第２リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、前記第３ヒートポンプに送られた一部と下記第１ヒートポンプに送られる他の一部とを除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第２リボイラに第２リボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプと、
前記第２リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第２塔底液との混合液の一部が塔頂から供給され、かつ、下記第１リボイラにおいて蒸発したベーパが塔底から供給されることにより、塔頂から取り出される第１塔頂ベーパと、塔底から取り出される、前記低沸点成分をほとんど含まない第１塔底液とに分離されるとともに、前記第１塔頂ベーパが前記第２蒸留塔の塔底に供給されるように構成された第１蒸留塔と、
前記第１塔底液を循環させて加熱・蒸発させ、前記第１蒸留塔の塔底に供給する第１リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、前記第３ヒートポンプに送られた一部と前記第２ヒートポンプに送られた他の一部を除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第１リボイラに第１リボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプと、
前記第３ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第３リボイラに供給される前記第３リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１５℃以上４０℃以下の範囲で高く、前記第２ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第２リボイラに供給される前記第２リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも２５℃以上５０℃以下の範囲で高く、前記第１ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第１リボイラに供給される前記第１リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で高いという条件が満たされる操作圧となるように、前記塔頂コンデンサを経て真空吸引し、系内を減圧にする真空ポンプと
を備え、
前記第３ヒートポンプおよび前記第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、それぞれ、前記第１ヒートポンプのＣＯＰの値より０．５以上大きくなるように構成されていること
を特徴としている。
本発明の蒸留装置においては、前記第３ヒートポンプおよび前記第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、それぞれ、前記第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．０以上大きくなるように構成されていることが好ましい。
また、前記第３ヒートポンプおよび前記第２ヒートポンプとして、ＣＯＰの値が４．０以上８．０以下のヒートポンプが用いられるように構成されていることが好ましい。
また、前記第３蒸留塔および前記第２蒸留塔の塔径よりも前記第１蒸留塔の塔径の方が小さくなるように構成されていることが好ましい。
また、前記原料液が、前記低沸点成分を３０ｗｔ％〜７０ｗｔ％の範囲で含有し、前記高沸点成分を７０ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲で含有していることが好ましい。
また、前記原料液の前記第３リボイラと前記第２リボイラへの供給割合を制御することにより、前記第３蒸留塔と前記第２蒸留塔における低沸点成分と高沸点成分の割合を調整することができるように構成されていることが好ましい。
また、前記原料液のうち、前記第３リボイラに供給される前記原料液の割合が、全原料液の４５ｗｔ％〜９０ｗｔ％、前記第２リボイラに供給される前記原料液の割合が、全原料液から前記第３リボイラに供給される前記原料液を除いた残部となるように構成されていることが好ましい。
また、本発明は、前記低沸点成分が有機溶剤であり、前記高沸点成分が水である場合に好適に用いることができる。
また、本発明は、前記低沸点成分と前記高沸点成分が、いずれも有機溶剤である場合にも好適に用いることができる。
また、前記原料液における低沸点成分がメタノール、高沸点成分が水であり、前記メタノールと前記水とをそれぞれ５０ｗｔ％ずつ含有している場合において、前記第３リボイラに供給される前記原料液の割合が、全原料液の６０ｗｔ％〜８０ｗｔ％、前記第２リボイラに供給される前記原料液の割合が、全原料液から前記第３リボイラに供給される前記原料液を除いた残部となるように構成されていることが好ましい。
本発明の蒸留装置は、上述のような構成を備えており、蒸留塔が第１蒸留塔、第２蒸留塔および第３蒸留塔の３塔に分割されている。
そして、第３ヒートポンプで温度レベルを上げて第３リボイラに供給される第３リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサにおいて第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１５℃以上４０℃以下の範囲で高く、第２ヒートポンプで温度レベルを上げて第２リボイラに供給される第２リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサにおいて第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも２５℃以上５０℃以下の範囲で高く、第１ヒートポンプで温度レベルを上げて第１リボイラに供給される第１リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサにおいて第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で高いという条件が満たされる操作圧となるように、真空ポンプにより塔頂コンデンサを経て真空吸引し、系内を減圧にするように構成されている。
その結果、上記第３蒸留塔用の第３ヒートポンプおよび上記第２蒸留塔用の第２ヒートポンプのＣＯＰ（成績効率）の値が、上記第１蒸留塔用の第１ヒートポンプのＣＯＰの値より０．５以上大きくなるようにして、省エネルギー性に優れた、エネルギー効率の高い蒸留装置を実現することができる。
以下、本発明の奏する作用効果について、詳しく説明する。
通常、蒸留塔では、蒸留の対象となる液体の組成と操作圧力が決定されると、固有の物性値により塔頂と塔底の温度が定まる。
通常、蒸留塔では、蒸留の対象となる液体の組成と操作圧力が決定されると、固有の物性値により塔頂と塔底の温度が定まる。
そして、蒸留塔を上述の第３蒸留塔と、第２蒸留塔と、第１蒸留塔とに分割（３分割）することで、各蒸留塔において蒸留操作が行われる流体中の低沸点成分と高沸点成分の割合を異ならせることが可能になる。
そのため、塔頂コンデンサで用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水（以下、単に「昇温冷却水」ともいう）と、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水からヒートポンプで回収した熱により昇温させた、リボイラに供給される高温水（以下、単に「高温水」ともいう）との温度差が、第３蒸留塔において最も小さくなり、第３ヒートポンプにおいてＣＯＰが最も大きくなる。
また、第２蒸留塔においても、上述の「昇温冷却水」と「高温水」との温度差が第３蒸留塔におけるよりは大きくなるものの、第１蒸留塔におけるよりは十分に小さくなり、第２ヒートポンプにおいてもＣＯＰを第１ヒートポンプに比べて十分に大きくすることが可能になる。
すなわち、上述の「昇温冷却水」と「高温水」との温度差は、第１蒸留塔において最も大きくなり、第３蒸留塔において最も小さくなる。そして、第２蒸留塔においてはその中間の温度差となる。
各ヒートポンプにおいては、上述の「昇温冷却水」と「高温水」との温度差が小さいほど、ＣＯＰ（成績効率）が大きくなることから、上述の「高温水」の温度があまり高くならないように制御することが望ましい。
そして、そのためには、「昇温冷却水」から汲み上げた熱でリボイラを稼働させて発生させたベーパの温度で蒸留を行うことができるように、蒸留塔における低沸点成分と高沸点成分の割合や、それに対応する温度分布などを制御することが望ましい。
ここで、各蒸留塔（第１蒸留塔、第２蒸留塔および第３蒸留塔）に配設された各ヒートポンプ（第１ヒートポンプ、第２ヒートポンプおよび第３ヒートポンプ）のＣＯＰに着目して説明すると、例えば、従来広く用いられている、単一の蒸留塔を備えたヒートポンプ式蒸留設備において、塔頂ベーパを冷却するための塔頂コンデンサの冷却水の熱をヒートポンプにおいて回収し、回収した熱量をリボイラに供給するようにした場合、塔頂ベーパと塔底液の温度差が大きくなるので、ヒートポンプにおける温度レベルの上昇幅を大きくすることが必要で、ヒートポンプにかかる負荷が大きくなるため、ヒートポンプのＣＯＰ（成績効率＝加熱・冷却能力（ｋＷ）／消費電力（ｋＷ））の値を十分に大きくすることは困難で、通常はＣＯＰが３程度になることが多い。
これに対して、本発明では、蒸留塔を第１蒸留塔、第２蒸留塔および第３蒸留塔の３つの蒸留塔に分け、第１蒸留塔は第１リボイラを備え、第２蒸留塔は第２リボイラを備え、第３蒸留塔は第３リボイラを備えた構成とするとともに、第３塔頂ベーパを冷却するための塔頂コンデンサの冷却水の熱を、第１リボイラ用の第１ヒートポンプ、第２リボイラ用の第２ヒートポンプおよび第３リボイラ用の第３ヒートポンプの３種類のヒートポンプとに振り分け、各ヒートポンプで汲み上げた熱を、第１蒸留塔用の第１リボイラ、第２蒸留塔用の第２リボイラおよび第３蒸留塔用の第３リボイラに供給するようにしている。
仮に、各ヒートポンプで汲み上げた熱を第１リボイラ、第２リボイラおよび第３リボイラにそれぞれ１／３ずつ供給するようにした場合、上述のように、第１蒸留塔よりも第２蒸留塔および第３蒸留塔の方が、上述の「昇温冷却水」と「高温水」との温度差を小さくすることができるため、第２ヒートポンプおよび第３ヒートポンプのＣＯＰの値が、第１ヒートポンプのＣＯＰの値より高い値となるように構成することが可能になる。
そして、第２ヒートポンプおよび第３ヒートポンプのＣＯＰの値がそれぞれ、第１ヒートポンプのＣＯＰの値より０．５以上大きくなるように構成した場合、具体的には、例えば、第１ヒートポンプのＣＯＰを３、第２ヒートポンプおよび第３ヒートポンプのＣＯＰを４（＝３＋１）とした場合、第１ヒートポンプ、第２ヒートポンプおよび第３ヒートポンプの３つのヒートポンプのトータルのＣＯＰは（３＋４＋４）/３=３．６７となり、上述の従来技術の場合のＣＯＰ３に対して、約１．２２倍の効率を得ることができる。
なお、本発明においては、下記の発明を実施するための形態の欄で説明するように、第１ヒートポンプのＣＯＰの値が３〜４であるときに、通常は、第２ヒートポンプおよび第３ヒートポンプのＣＯＰの値を４．０〜８．０程度の大きな値とすることが可能で、その場合には、より大きな省エネルギー効果を得ることができる。
したがって、本発明によれば、蒸留塔全体についてみた場合に、第１ヒートポンプ、第２ヒートポンプ、第３ヒートポンプの、全体のＣＯＰを大きくすることが可能になり、省エネルギー性に優れた蒸留装置を実現することが可能になる。
また、本発明においては、第２ヒートポンプおよび第３ヒートポンプのＣＯＰの値が、第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．０以上大きくなるように構成することにより、さらに高い省エネルギー効果を得ることが可能になる。
また、本発明においては、第２ヒートポンプおよび第３ヒートポンプにおいて、上述の「昇温冷却水」と「高温水」との温度差を小さくすることができるため、第２ヒートポンプ、第３ヒートポンプとして、ＣＯＰの値が４．０以上８．０以下のヒートポンプを用いることが可能になる。そして、そのように構成した場合、第１、第２および第３の３つのヒートポンプの全体としてのＣＯＰをさらに大きくすることが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。
なお、第１、第２および第３蒸留塔への負荷（各リボイラから各蒸留塔に供給される蒸気量、蒸気中の低沸点成分と高沸点成分の割合、還流液の組成、量などの条件）を制御することにより、第２ヒートポンプ、第３ヒートポンプとして、ＣＯＰが４．０以上８．０以下のヒートポンプを用いることを可能ならしめることができる。
また、本発明の蒸留装置によれば、第３蒸留塔および第２蒸留塔の塔径よりも第１蒸留塔の塔径の方が小さくなるように構成することができる。そして、そのように構成することにより、装置全体の小型化、コストの削減を図ることが可能になる。
なお、本発明の蒸留装置において、第１蒸留塔には第１リボイラで蒸発したベーパが供給されるのに対して、第２蒸留塔には、原料液のうちの、第３リボイラに供給された一部を除いた残部と、第２リボイラにおいて蒸発させた後の液と、第２塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパと、第１蒸留塔の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）とが供給される。
さらに、第３蒸留塔には、原料液の一部と、第３リボイラにおいて蒸発させた後の液と、第３塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパと、第２蒸留塔の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）とが供給される。
したがって、通常は、第２蒸留塔には第１蒸留塔よりも多くのペーパが供給され、第３蒸留塔には第２蒸留塔よりもさらに多くのベーパが供給されることになる。
その結果、適正な気液接触を確保しつつ、第１蒸留塔の塔径を、第２蒸留塔および第３蒸留塔の塔径より小さくすることが可能になり、設備コストの低減を図ることができる。
また、上述のように、通常、第２蒸留塔には第３蒸留塔よりも少ない量のベーパが供給されることになるため、第２蒸留塔は第３蒸留塔よりも塔径を小さくすることが可能になる。
また、本発明においては、原料液が、低沸点成分を３０ｗｔ％〜７０ｗｔ％の範囲で含有し、高沸点成分を７０ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲で含有している場合に十分な効果を得ることができる。
すなわち、原料液が上記条件を満たす場合に、塔頂コンデンサで用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水（単に「昇温冷却水」ともいう）と、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水からヒートポンプで回収した熱により昇温させた、リボイラに供給される高温水（単に「高温水」ともいう）との温度差が、第３蒸留塔において最も小さくなり、第３ヒートポンプにおいてＣＯＰが最も大きくなり、第２蒸留塔においても、上述の「昇温冷却水」と「高温水」との温度差が第３蒸留塔におけるよりは大きくなるものの、第１蒸留塔におけるよりは十分に小さくなり、第２ヒートポンプにおいてもＣＯＰを第１ヒートポンプに比べて十分に大きくすることが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。
なお、本発明において、原料液が低沸点成分を３０ｗｔ％〜７０ｗｔ％の範囲で含有し、高沸点成分を７０ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲で含有している場合、より好ましくは低沸点成分を４０ｗｔ％〜６０ｗｔ％の範囲で含有し、高沸点成分を６０ｗｔ％〜４０ｗｔ％の範囲で含有している場合に、特に良好な省エネルギー効果を得ることができる。
ただし、低沸点成分３０ｗｔ％〜７０ｗｔ％、高沸点成分７０ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲を超える場合にも、第２蒸留塔と第３蒸留塔への原料液の分配の割合などを調整することにより、有意性のある省エネルギー効果を得ることができる場合がある。
また、本発明の蒸留装置においては、原料液の第３リボイラと第２リボイラへの供給割合を制御し、第３蒸留塔と第２蒸留塔における低沸点成分と高沸点成分の割合を調整することにより、第３蒸留塔と第２蒸留塔における低沸点成分と高沸点成分の割合を制御して、第３リボイラおよび第２リボイラのＣＯＰを高くすることが可能になり、エネルギー効率の高い蒸留装置を実現することができる。
すなわち、第３蒸留塔と第２蒸留塔における低沸点成分と高沸点成分の割合を制御することにより、塔頂コンデンサで用いられて昇温した上述の「昇温冷却水」と、「昇温冷却水」からヒートポンプで回収した熱により昇温させた、第３リボイラおよび第２リボイラに供給される高温水との温度差を小さく抑えて、第３リボイラおよび第２リボイラのＣＯＰを高くすることが可能になり、エネルギー効率を向上させることができる。
さらに、原料液のうち、第３リボイラに供給される原料液の割合が、全原料液の４５ｗｔ％〜９０ｗｔ％、第２リボイラに供給される原料液の割合が残部となるようにすることで、第３リボイラおよび第２リボイラのＣＯＰを高くすることが可能になり、エネルギー効率の高い蒸留装置を実現することができる。
すなわち、原料液のうち、第３リボイラに供給される原料液の割合を上述の４５ｗｔ％〜９０ｗｔ％とすることにより、上述の「昇温冷却水」と、「昇温冷却水」からヒートポンプで回収した熱により昇温させた、第３リボイラおよび第２リボイラに供給される高温水との温度差を小さく抑えて、第３リボイラおよび第２リボイラのＣＯＰを高くすることが可能になり、エネルギー効率を向上させることができる。
また、本発明は、低沸点成分が有機溶剤であり、高沸点成分が水である系に適用した場合に、省エネルギー効率の良好な蒸留装置を実現することができる。
また、本発明は、低沸点成分と高沸点成分が、いずれも有機溶剤である系にも適用することが可能であり、その場合にも省エネルギー効率の良好な蒸留装置を実現することができる。
また、原料液における低沸点成分がメタノール、高沸点成分が水であり、メタノールと水とをそれぞれ５０ｗｔ％ずつ含有している場合において、第３リボイラに供給される原料液の割合が、全原料液の６０ｗｔ％〜８０ｗｔ％、第２リボイラに供給される原料液の割合が残部となるようにすることで、以下の実施形態の欄でも説明するように、第３リボイラおよび第２リボイラのＣＯＰが十分に高く、エネルギー効率の高い蒸留装置を実現することができる。
原料液がメタノール（低沸点成分）５０ｗｔ％、水（高沸点成分）５０ｗｔ％を含むものである場合には、上述のような割合で原料液を第３リボイラと第２リボイラに振り分けることにより、上述の「昇温冷却水」と、「昇温冷却水」からヒートポンプで回収した熱により昇温させた、第３リボイラおよび第２リボイラに供給される高温水との温度差を小さく抑えて、第３リボイラおよび第２リボイラのＣＯＰを高くすることが可能になり、エネルギー効率を向上させることができる。
以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
なお、本実施形態では、低沸点成分であるメタノールを５０ｗｔ％の割合で含み、残部（５０ｗｔ％）が水（高沸点成分）である原料液（被処理液）を蒸留してメタノールを分離、回収するための蒸留装置を例にとって説明する。
本実施形態にかかる蒸留装置１００は、ヒートポンプを用いて省エネルギー性の向上を図った蒸留装置である。
図１に示すように、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、水（高沸点成分）と、メタノール（低沸点成分）を含有する液の蒸留を行い、低沸点成分を主成分とする塔頂ベーパ（第３塔頂ベーパ）（メタノール９９．５ｗｔ％）と、低沸点成分よりも高沸点成分を高い割合で含有する塔底液（第３塔底液）（メタノール３９．４ｗｔ％）に分離する第３蒸留塔３を備えているとともに、第３蒸留塔３が備える第３リボイラ１３であって、水（５０ｗｔ％）と、メタノール（５０ｗｔ％）とを含有する原料液の一部と、当該第３リボイラ１３において蒸発させた後の液と、前記第３塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパを、第３蒸留塔３の塔底に供給するように構成された第３リボイラ１３を備えている。
なお、第３リボイラ１３としては、後述のように、液膜降下式の塔状の間接型熱交換器が用いられている。また、以下の第２リボイラ１２、第１リボイラ１１においても同様である。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第３蒸留塔３の塔頂から取り出されるメタノールを主成分とする第３塔頂ベーパを、塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して、メタノールを主成分とする凝縮液（メタノール９９．５ｗｔ％）を留出液として回収するための塔頂コンデンサ２１を備えている。なお、塔頂コンデンサ２１としては、円筒多管式熱交換器が用いられている。
なお、塔頂コンデンサ２１には吸引ライン３２が接続され、真空ポンプ３１により系内を真空に吸引することができるように構成されている。真空ポンプ３１としては、水封式の真空ポンプが用いられている。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、塔頂コンデンサ２１で用いられた塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部を導いて冷却するための冷却塔５１と、塔頂コンデンサ用循環冷却水を冷却塔５１に導くための冷却水循環ポンプ５４を備えている。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、塔頂コンデンサ２１において第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて第３リボイラ１３に第３リボイラ用高温水として供給するように構成された第３ヒートポンプＨＰ３を備えている。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、上記の塔状の第３リボイラ１３の塔底液（第３リボイラ１３において蒸発させた後の液）と、第３塔底液との混合液の一部が塔頂から供給され、かつ、後述の第２リボイラ１２において循環・加熱され、蒸発したベーパが塔底から供給されることにより蒸留が行われて、塔頂から第２塔頂ベーパが取り出され、塔底から第２塔底液が取り出されるとともに、第２塔頂ベーパが第３蒸留塔３の塔底に供給されるように構成された第２蒸留塔２を備えている。
さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第２蒸留塔２が有する第２リボイラ１２であって、原料液のうち、第３リボイラに供給された一部を除いた残部と、当該第２リボイラ１２において蒸発させた後の液と、第２塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパを第２蒸留塔２の塔底に供給する第２リボイラ１２を有している。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、塔頂コンデンサ２１において第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、第３ヒートポンプＨＰ３に送られた一部と下記の第１ヒートポンプＨＰ１に送られる他の一部とを除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて第２リボイラ１２に第２リボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプＨＰ２を備えている。
さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第２蒸留塔２の塔底液（第２塔底液）の蒸留を行う第１蒸留塔１と、第１蒸留塔１の塔底液（第１塔底液）を循環させることにより加熱・蒸発させて、発生した蒸気を第１蒸留塔１の塔底に供給するように構成された第１リボイラ１１とを備えている。
第１蒸留塔１の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）は第２蒸留塔２の塔底に供給されるように構成されている。
さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、塔頂コンデンサ２１において第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、第３ヒートポンプＨＰ３に送られた一部と、第２ヒートポンプＨＰ２に送られた一部を除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて第１リボイラ１１に第１リボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプＨＰ１を備えている。
以下、図１を参照しつつ、本実施形態にかかる蒸留装置１００についてさらに詳しく説明する。
本実施形態にかかる蒸留装置１００が備える第３蒸留塔３、第２蒸留塔２および第１蒸留塔１はいずれも、上述のように、メタノール水溶液の蒸留を行う蒸留塔であって、例えば、棚段塔、充填塔など種々の構成のものを用いることが可能である。なお、本実施形態では規則充填塔が用いられている。
また、第３リボイラ１３、第２リボイラ１２、第１リボイラ１１は、それぞれ、第３蒸留塔３、第２蒸留塔２、第１蒸留塔１への熱の入力を行うものであり、本実施形態では、第３リボイラ１３、第２リボイラ１２、第１リボイラ１１として、液膜降下式の間接型熱交換器が用いられている。ただし、他の型式の熱交換器を用いることも可能である。
また、原料液を予熱する予熱器４１としては、プレート式熱交換器が用いられている。
第３リボイラ１３は、第３ヒートポンプＨＰ３からの６５℃の高温水（第３ッリボイラ用高温水）が加熱源として用いられる間接型熱交換器であって、第３リボイラ１３において加熱され、発生したベーパは、上述したように、第３蒸留塔３の塔底に供給される。
また、第２リボイラ１２は、第２ヒートポンプＨＰ２からの７３℃の高温水（第２リボイラ用高温水）が加熱源として用いられる間接型熱交換器であって、第２リボイラ１２において加熱され、発生したベーパは、上述したように、第２蒸留塔２の塔底に供給される。
また、第１リボイラ１１は、第１ヒートポンプＨＰ１からの８５℃の高温水（第１リボイラ用高温水）が加熱源として用いられる間接型熱交換器であって、第１リボイラ１１において加熱され、発生したベーパは、上述したように、第１蒸留塔１の塔底に供給される。
なお、図１に示すように、第３蒸留塔３の塔底液（第３リボイラ１３の塔底液（第３リボイラ１３において蒸発させた後の液）を含む）は、第３循環ポンプ６３を経て、第２蒸留塔２の塔頂に供給され、また、予熱器４１を通過して昇温した上述の原料液（供給液）の一部は、第３循環ポンプ６３の下流側で、第３蒸留塔３の塔底液（第３リボイラ１３の塔底液（第３リボイラ１３において蒸発させた後の液）を含む）と合流して第３リボイラ１３の塔頂に供給される。
また、第２蒸留塔２の塔底液（第２リボイラ１２の塔底液（第２リボイラ１２において蒸発させた後の液）を含む）は、第２循環ポンプ６２を経て、第１蒸留塔１の塔頂に供給される。そして、予熱器４１を通過して昇温した上述の原料液（供給液）のうち、上述の第３リボイラ１３に供給される一部を除いた残部は、第２循環ポンプ６２の下流側で、第２蒸留塔２の塔底液（第２リボイラ１２の塔底液（第２リボイラ１２において蒸発させた後の液）を含む）と合流して第２リボイラ１２の塔頂に供給される。
また、図１に示すように、第１蒸留塔１の塔底液（第１リボイラ１１の塔底液（第１リボイラ１１において蒸発させた後の液）を含む）は、第１循環ポンプ６１を経て、第１リボイラ１１の塔頂に戻され、第１リボイラ１１で加熱されて蒸発したベーパは、第１蒸留塔１の塔底に供給される。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００において、第３蒸留塔３では、その塔底から導入される、第３リボイラ１３で発生したベーパと第２蒸留塔２の塔頂ベーパの混合ベーパと、還流ポンプ６４を経て塔頂から供給される、塔頂コンデンサ２１で凝縮した凝縮液の一部である還流液とが気液接触することで、メタノールの蒸留が行われる。
そして、第３蒸留塔３の塔頂ベーパは、メタノールを高濃度（９９．５ｗｔ％）で含有する温度が４２．３℃のベーパで、塔頂コンデンサ２１で冷却されることにより凝縮し、一部が還流液として、第２蒸留塔の塔頂に戻され、他の一部がメタノール９９．５ｗｔ％の留出液として回収される。
なお、第３蒸留塔３の塔底液は、温度が５４．８℃で、メタノール３９．４ｗｔ％を含む（残部は水）メタノール水溶液である。
第２蒸留塔２では、その塔底から導入される、第２リボイラ１２で発生したベーパと第１蒸留塔１の塔頂ベーパの混合ベーパと、塔頂から供給される、第３蒸留塔３の塔底液（第３リボイラ１３の塔底液（第３リボイラ１３において蒸発させた後の液）を含む）である還流液とが気液接触することで、メタノールの蒸留が行われる。
なお、第２蒸留塔２の塔頂ベーパは、温度が５５．１℃で、メタノール７８．７ｗｔ％（残部は水）を含むベーパである。
また、第２蒸留塔２の塔底液は、温度が６３．３℃で、メタノール１５．４ｗｔ％（残部は水）を含むメタノール水溶液である。
また、第１蒸留塔１では、その塔底から導入される、第１リボイラ１１で発生したベーパと、塔頂から供給される、第２蒸留塔２の塔底液（第２リボイラ１２において蒸発させた後の液を含む）である還流液とが気液接触することで、メタノールの蒸留が行われる。
なお、第１蒸留塔１の塔頂ベーパは、温度が６５．６℃で、メタノール５２．０ｗｔ％（残部は水）を含むベーパである。
また、第１蒸留塔１の塔底液は、温度が７５．１℃で、微量のメタノールを含む水（メタノール濃度２０ｐｐｍ）であり、予熱器４１において、原料液と熱交換されて系外に排出される。なお、排出された第１蒸留塔１の塔底液は、例えば、必要に応じて排水処理などが施された後、放流されることになる。
次に、第３ヒートポンプＨＰ３、第２ヒートポンプＨＰ２および第１ヒートポンプＨＰ１についてさらに詳しく説明する。
本実施形態にかかる蒸留装置１００が備える第３ヒートポンプＨＰ３は、上述のように、塔頂コンデンサ２１で用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水（本実施形態では３９℃）の一部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて第３リボイラ１３に高温水（本実施形態では６５℃）として供給することができるように構成されており、第３リボイラ１３で用いられて、温度が６０℃に降下した熱媒（高温水側循環水）は、第３温水循環ポンプ７３を経て第３ヒートポンプＨＰ３に戻り、昇温されて再び第３リボイラ１３に第３リボイラ用高温水（本実施形態では６５℃）として供給されるように構成されている。
また、第３ヒートポンプＨＰ３において熱回収され、温度が３４℃に低下した塔頂コンデンサ用循環冷却水は、第３冷水循環ポンプ８３を経て、再び塔頂コンデンサ２１に供給されるように構成されている。
さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００が備える第２ヒートポンプＨＰ２は、上述のように、塔頂コンデンサ２１で第３塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水（本実施形態では３９℃）の一部、すなわち、塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、第３ヒートポンプに送られた塔頂コンデンサ用循環冷却水と、第１ヒートポンプＨＰ１に送られた塔頂コンデンサ用循環冷却水とを除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて第２リボイラ１２に第２リボイラ用高温水（本実施形態では７３℃）として供給することができるように構成されている。
また、第２リボイラ１２で用いられて、温度が６８℃に降下した第２リボイラ用高温水は、第２温水循環ポンプ７２を経て第２ヒートポンプＨＰ２に戻され、７３℃に昇温されて再び第２リボイラ１２に供給されるように構成されている。
また、第２ヒートポンプＨＰ２において熱回収され、温度が３４℃に低下した塔頂コンデンサ用循環冷却水は、第２冷水循環ポンプ８２を経て再び塔頂コンデンサ２１に供給されるように構成されている。
さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００が備える第１ヒートポンプＨＰ１は、塔頂コンデンサ２１で第３塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水（本実施形態では３９℃）のうち、第３ヒートポンプＨＰ３に送られた塔頂コンデンサ用循環冷却水と、第２ヒートポンプＨＰ２に送られた塔頂コンデンサ用循環冷却水とを除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて第１リボイラ１１に第１リボイラ用高温水（本実施形態では８５℃）として供給することができるように構成されている。
また、第１リボイラ１１で用いられて、温度が８０℃に降下した第１リボイラ用高温水は、第１温水循環ポンプ７１を経て第１ヒートポンプＨＰ１に戻り、８５℃に昇温されて再び第１リボイラ１１に供給されるように構成されている。
また、第１ヒートポンプＨＰ１において熱回収され、温度が３４℃に低下した塔頂コンデンサ用循環冷却水は、第１冷水循環ポンプ８１を経て、再び塔頂コンデンサ２１に供給されるように構成されている。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第３ヒートポンプＨＰ３として、２台の小型汎用品のヒートポンプが用いられており、予備のヒートポンプとして、同型のヒートポンプをさらに１台備えている。
そして、本実施形態では、２台のヒートポンプの合計の動力が１０３ｋＷとなるように構成されている。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第２ヒートポンプＨＰ２として、４台の小型汎用品のヒートポンプが用いられており、予備のヒートポンプとして、同型のヒートポンプをさらに１台備えている。
そして、本実施形態では、４台のヒートポンプの合計の動力が１９６ｋＷとなるように構成されている。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第１ヒートポンプＨＰ１として、３台の小型汎用品のヒートポンプが用いられており、予備のヒートポンプとして、同型のヒートポンプをさらに１台備えている。
そして、本実施形態では、３台のヒートポンプの合計の動力が２７０ｋＷとなるように構成されている。
なお、上述の第３ヒートポンプＨＰ３、第２ヒートポンプＨＰ２および第１ヒートポンプＨＰ１は、いずれも予備機を含む台数制御およびインバータ制御によって能力調整が行われるように構成されている。
また、上述のように、第３ヒートポンプＨＰ３、第２ヒートポンプＨＰ２および第１ヒートポンプＨＰ１は、いずれも１台の予備のヒートポンプを備えている。これにより、不測の故障に対する操業の安定性を確保することができるとともに、運転中のメンテナンスが可能になる。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、上述のように、第３リボイラ１３、第２リボイラ１２および第１リボイラ１１の熱源として、第３ヒートポンプＨＰ３、第２ヒートポンプＨＰ２および第１ヒートポンプＨＰ１で温度レベルを上昇させた高温水（第３リボイラ１３では６５℃、第２リボイラ１２では７３℃、第１リボイラでは８５℃の高温水）を用いるとともに、上記温度の高温水で第３リボイラ１３、第２リボイラ１２および第１リボイラ１１を稼働させることができるように、真空操作を行うことで第３蒸留塔３、第２蒸留塔２および第１蒸留塔１の塔底液の沸点の調整を行っている。
したがって、第３ヒートポンプＨＰ３および第２ヒートポンプＨＰ２のそれぞれのＣＯＰ（成績効率）の値を、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰの値より０．５以上大きくすることが可能になる。
具体的には、本実施形態にかかる蒸留装置において、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰの値が３．７であるのに対して、第３ヒートポンプＨＰ３のＣＯＰ（成績効率）の値が６．８、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰ（成績効率）の値が５．６となっており、第３ヒートポンプＨＰ３のＣＯＰの値を、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰの値より３．１大きく、第２ヒートポンプＨＰ２の値を、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰの値より１．９大きくすることができている。
すなわち、本実施形態のように、蒸留塔を第１蒸留塔１、第２蒸留塔２および第３蒸留塔３の３つの蒸留塔に分割し、それぞれにリボイラ（第１リボイラ１１、第２リボイラ１２および第３リボイラ１３）と、ヒートポンプ（第１ヒートポンプＨＰ１、第２ヒートポンプＨＰ２および第３ヒートポンプＨＰ３）を設け、各ヒートポンプにより熱を汲み上げて、各リボイラを稼働させるようにしているので、
（ａ）第３蒸留塔３における、塔頂コンデンサ２１で用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水（昇温冷却水）（３９℃）と、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水からヒートポンプで回収した熱により昇温させた、第３蒸留塔に対応する第３リボイラに供給されるリボイラ用高温水（６５℃）との温度差を２６℃（６５℃−３９℃＝２６℃）と最も小さくして、第３ヒートポンプＨＰ３のＣＯＰを最も大きくする（ＣＯＰ＝６．８）ことが可能になるとともに、
（ｂ）第２蒸留塔２についても、上述の温度差（７３℃−３９℃＝３４℃）を、第１蒸留塔１における温度差（８５℃−３９℃＝４６℃）より小さくすることが可能になり、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰ（＝５．６）を、第１蒸留塔１における第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰ（＝３．７）より大きくすることが可能になる。
（ａ）第３蒸留塔３における、塔頂コンデンサ２１で用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水（昇温冷却水）（３９℃）と、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水からヒートポンプで回収した熱により昇温させた、第３蒸留塔に対応する第３リボイラに供給されるリボイラ用高温水（６５℃）との温度差を２６℃（６５℃−３９℃＝２６℃）と最も小さくして、第３ヒートポンプＨＰ３のＣＯＰを最も大きくする（ＣＯＰ＝６．８）ことが可能になるとともに、
（ｂ）第２蒸留塔２についても、上述の温度差（７３℃−３９℃＝３４℃）を、第１蒸留塔１における温度差（８５℃−３９℃＝４６℃）より小さくすることが可能になり、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰ（＝５．６）を、第１蒸留塔１における第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰ（＝３．７）より大きくすることが可能になる。
その結果、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、従来の１塔式でヒートポンプを用いた蒸留装置に比べて、ヒートポンプ全体としてのＣＯＰを大きくすることが可能になり、省エネルギー性に優れた、エネルギー効率の高い蒸留装置を実現することができる。
なお、
（１）第３蒸留塔３における上記温度差を最も小さくし、
（２）第２蒸留塔２における上記温度差を第３蒸留塔３における上記温度差より大きく、かつ、第１蒸留塔１における上記温度差よりも小さくするためには、
低沸点成分の濃度（高沸点成分と低沸点成分の割合）を適切な濃度（中間濃度）に調整することが必要になる。そのため、本実施形態においては、原料液の、第３リボイラ１３と、第２リボイラ１２への供給割合を適切に制御することにより、適切な割合で供給するようにしている。
（１）第３蒸留塔３における上記温度差を最も小さくし、
（２）第２蒸留塔２における上記温度差を第３蒸留塔３における上記温度差より大きく、かつ、第１蒸留塔１における上記温度差よりも小さくするためには、
低沸点成分の濃度（高沸点成分と低沸点成分の割合）を適切な濃度（中間濃度）に調整することが必要になる。そのため、本実施形態においては、原料液の、第３リボイラ１３と、第２リボイラ１２への供給割合を適切に制御することにより、適切な割合で供給するようにしている。
ところで、ヒートポンプ式の蒸留装置においては、高いＣＯＰを実現するためには、上述の塔頂コンデンサで用いられて昇温した昇温冷却水と、リボイラに供給されるリボイラ用高温水との温度差を小さくすること、言い換えれば、ヒートポンプにおける昇温幅を小さくすることが重要であり、そのためには、上記温度差が小さくても、リボイラにおいて必要とされる量の蒸発量が確保されるように構成することが望ましい。
ここで、本実施形態の場合のように、原料液のメタノール濃度が５０ｗｔ％である場合、仮に、原料液の全量を第３リボイラ１３に供給し、加熱量を増やすと第２蒸留塔２の塔底のメタノール濃度が低下し、第１蒸留塔１の塔底の温度と大きな差がなくなり、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰを、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰに対して、十分な有意性が認められるほどに大きくすることは困難になる。
したがって、第３蒸留塔３と第２蒸留塔２への原料液の供給割合は、各蒸留塔の設計条件と各蒸留塔に必要な熱量ごとに計算して適切に決定されることが望ましい。
次に、本実施形態の蒸留装置１００の省エネルギー効果について具体的に説明する。
本実施形態の蒸留装置１００は、メタノール（低沸点成分）を５０ｗｔ％、水（高沸点成分）を５０ｗｔ％の割合で含む原料液（被処理液）を蒸留してメタノールを分離、回収するための蒸留装置であって、上述のように蒸留塔を第１蒸留塔１、第２蒸留塔２、第３蒸留塔３の３つの蒸留塔に分割している。
そして、本実施形態にかかる蒸留装置１００において、第３ヒートポンプＨＰ３に入力されるエネルギーは、第３ヒートポンプＨＰ３に入力される動力１０３ｋＷと、第２蒸留塔２の塔頂から第３蒸留塔３の塔底に供給される第２塔頂ベーパの有するエネルギー（＝第２ヒートポンプＨＰ２に入力される動力）１９６ｋＷと、第１蒸留塔１の塔頂から第２蒸留塔２の塔底に供給される第１塔頂ベーパの有するエネルギー（＝第１ヒートポンプＨＰ１に入力される動力）２７０ｋＷの合計値５６９ｋＷ（１０３ｋＷ＋１９６ｋＷ＋２７０ｋＷ＋＝５６９ｋＷ）となる。この５６９ｋＷが本実施形態にかかる蒸留装置１００におけるすべてのヒートポンプに入力される総エネルギーとなる。
そして、本実施形態にかかる蒸留装置１００において、すべてのヒートポンプに入力されるエネルギー５６９ｋＷに対して、ＣＯＰの値の小さい第１ヒートポンプＨＰ１（ＣＯＰ＝３．７）に入力されるエネルギー（動力）は２７０ｋＷとなるのに対して、ＣＯＰの値の大きい第２ヒートポンプＨＰ２（ＣＯＰ＝５．６）および第３ヒートポンプＨＰ３（ＣＯＰ＝６．８）には２９９ｋＷ（１９６ｋＷ＋１０３ｋＷ＝２９９ｋＷ）が入力されることになる。
すなわち、全体としてヒートポンプに入力されるエネルギー５６９ｋＷのうち、５２．５％（２９９／５６９＝０．５２５）が、ＣＯＰの大きい第２ヒートポンプＨＰ２および第３ヒートポンプＨＰ３に入力され、エネルギーが効率よく利用されることになる。
このように、本実施形態の蒸留装置によれば、第１ヒートポンプＨＰ１、第２ヒートポンプＨＰ２、第３ヒートポンプＨＰ３の３つのヒートポンプのうち、ＣＯＰが６．８の第３ヒートポンプＨＰ３と、ＣＯＰ５．６の第２ヒートポンプＨＰ２に２９９ｋＷが入力され、ＣＯＰが３．７と小さい第１ヒートポンプＨＰ１には２７０ｋＷだけが入力されることになるので、ヒートポンプ全体のＣＯＰを大きくすることが可能になり、十分な省エネルギー効果を発揮する蒸留装置を実現することが可能になる。
なお、表１に、
（１）ヒートポンプを用いずに蒸気を熱エネルギーとして用いた従来の蒸気式の蒸留装置と、
（２）本発明のように蒸留塔を３塔に分けずに１塔式として、蒸留塔の塔頂ベーパからヒートポンプを用いて熱回収を行うようにした蒸留装置（この場合のヒートポンプのＣＯＰは約３．７）と、
（３）蒸留塔を３塔に分けた、上記実施形態にかかる蒸留装置１００と、
のそれぞれのエネルギー消費量を示す。
（１）ヒートポンプを用いずに蒸気を熱エネルギーとして用いた従来の蒸気式の蒸留装置と、
（２）本発明のように蒸留塔を３塔に分けずに１塔式として、蒸留塔の塔頂ベーパからヒートポンプを用いて熱回収を行うようにした蒸留装置（この場合のヒートポンプのＣＯＰは約３．７）と、
（３）蒸留塔を３塔に分けた、上記実施形態にかかる蒸留装置１００と、
のそれぞれのエネルギー消費量を示す。
ただし、条件は以下の通りである。
原料液供給量：１００００ｋｇ／ｈｒ（メタノール濃度５０ｗｔ％）
回収液 ：５０２５ｋｇ／ｈｒ （メタノール９９．５ｗｔ％）
年間稼働時間：８０００時間
電力１２円／ｋＷ
蒸気：５０００円／１０００ｋｇ
原料液供給量：１００００ｋｇ／ｈｒ（メタノール濃度５０ｗｔ％）
回収液 ：５０２５ｋｇ／ｈｒ （メタノール９９．５ｗｔ％）
年間稼働時間：８０００時間
電力１２円／ｋＷ
蒸気：５０００円／１０００ｋｇ
表１に示すように、従来の蒸気式の蒸留装置においては、３４５０ｋＷのエネルギー（蒸気熱量）が必要となる。
また、１塔式の蒸留装置においては、ヒートポンプを駆動するのに８０５ｋＷの動力が必要となる。
これに対し、本実施形態にかかる蒸留装置（３塔式で、各蒸留塔のそれぞれにヒートポンプを設けた蒸留装置）１００によれば５６９ｋＷのエネルギー消費量となる。したがって、本発明の蒸留装置によれば、大幅な省エネルギーを実現できることがわかる。
なお、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第３ヒートポンプで温度レベルを上げて第３リボイラに供給される第３リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサにおいて第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１５℃以上４０℃以下の範囲で高く、第２ヒートポンプで温度レベルを上げて第２リボイラに供給される第２リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサにおいて第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも２５℃以上５０℃以下の範囲で高く、第１ヒートポンプで温度レベルを上げて第１リボイラに供給される第１リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサにおいて第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で高くなるように構成される。
上述の構成とすることにより、第３ヒートポンプＨＰ３および第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰを、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰよりも十分に大きくすることが可能になり、省エネルギー効果の大きい蒸留装置をより確実に実現することができる。
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、図１に示すように、第１蒸留塔１の塔径（８５０ｍｍ）が、第３蒸留塔３の塔径（１６５０ｍｍ）および第２蒸留塔２の塔径（１３００ｍｍ）よりも小さくなるように構成されており、第１蒸留塔１の塔径が、第３塔の塔径の約５１％、第２蒸留塔２の塔径の約６５％となるように構成されている。
すなわち、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第３蒸留塔３を通過するベーパ量（塔頂ベーパ量）が１０３４５ｋｇ／ｈｒ、第２蒸留塔２を通過するベーパ量（塔頂ベーパ量）が５８００ｋｇ／ｈｒであるのに対して、第１蒸留塔１を通過するベーパ量（塔頂ベーパ量）が２１０２ｋｇ／ｈｒと少なくなることから、適正な気液接触を確保しつつ、第１蒸留塔１の塔径を、第３蒸留塔３および第２蒸留塔２の塔径より小さくすることが可能になり、設備コストの低減を図ることができる。
なお、第１蒸留塔１の塔径と、第３蒸留塔３および第２蒸留塔２の塔径の関係は、上記実施形態の関係に限定されるものではなく、通常は、第１蒸留塔１の塔径を、第２蒸留塔２および第３蒸留塔３の塔径の１／３〜２／３の範囲で小さくすることができる。ただし、上記の範囲を超えた値とすることも可能である。
また、上記実施形態では、第１蒸留塔１と、第２蒸留塔２および第３蒸留塔３を、それぞれ独立した別の塔として構成しているが、第１蒸留塔と、第２蒸留塔および第３蒸留塔を１つの塔として構成すること、すなわち、１つの塔の一部が第１蒸留塔として機能し、他部が第２蒸留塔、第３蒸留塔として機能するように構成することも可能である。
また、上記実施形態では、蒸留塔を第１蒸留塔、第２蒸留塔および第３蒸留塔の３つの蒸留塔に分割し、各蒸留塔が備えるヒートポンプで汲み上げた熱を利用してヒートポンプ全体としてのＣＯＰを大きくするようにしているが、蒸留塔を４つ以上に分割することによっても同様の効果を奏する蒸留装置を構成することができる。
また、上記実施形態にかかる蒸留装置においては、原料液の第３リボイラと第２リボイラへの供給割合を制御して（第３リボイラに原料液の７０ｗｔ％（７０００ｋｇ／ｈｒ）を供給し、第２リボイラに原料液の３０ｗｔ％（３０００ｋｇ／ｈｒ）を供給している）、第３蒸留塔と第２蒸留塔における低沸点成分と高沸点成分の割合を調整し、それによって塔頂コンデンサで用いられて昇温した上述の「昇温冷却水」と、「昇温冷却水」からヒートポンプで回収した熱により昇温させた、第３リボイラおよび第２リボイラに供給される「高温水」との温度差を小さく抑えるようにしているので、第３リボイラおよび第２リボイラのＣＯＰを高くして、エネルギー効率を向上させることができる。
なお、上記実施形態では、原料液がメタノール５０ｗｔ％、水５０ｗｔ％を含有する液を原料液としているが、例えば、原料液がメタノールを７０ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲で含有し、水を３０重量％〜７０ｗｔ％の範囲で含有する液である場合において、第３リボイラに供給される原料液の割合が６０ｗｔ％〜８０ｗｔ％、第２リボイラに供給される原料液の割合が全原料液から第３リボイラに供給される原料液を除いた残部（すなわち４０重量％〜２０重量％）となるようにすることで、有意性のある作用効果を得ることができる。
また、原料液を構成する低沸点成分と高沸点成分の物性や、低沸点成分と高沸点成分の含有率によっては、第３リボイラと第２リボイラとに供給される原料液の割合を適正に制御することが必要になるが、本発明においては、通常、第３リボイラに供給される原料液の割合を、全原料液の４５ｗｔ％〜９０ｗｔ％、第２リボイラに供給される原料液の割合を、全原料液から第３リボイラに供給される原料液を除いた残部となるよう制御することにより、「昇温冷却水」からヒートポンプで回収した熱により昇温させた、第３リボイラおよび第２リボイラに供給される「高温水」との温度差を小さく抑えて、第３リボイラおよび第２リボイラのＣＯＰを向上させ、エネルギー効率を向上させることができる。
なお、上記実施形態で説明し、あるいは、図１に示した、原料液、第１、第２および第３蒸留塔の塔底液や塔頂ベーパなどに関する各種の量や、温度、成分濃度、第１、第２および第３ヒートポンプの消費エネルギー（ｋＷ）などの値は、あくまでも例示であって、本発明は、それらの値が上記実施形態の値とは異なる値となる場合を排除するものではない。
また、上記実施形態では、低沸点成分がメタノール、高沸点成分が水である原料液を蒸留してメタノールを回収する場合を例にとって説明したが、本発明において、低沸点成分と高沸点成分の種類は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、低沸点成分は、クロロフォルム、四塩化炭素、ジクロロエタン、ジクロロエチレン、二硫化炭素、アセトン、イソプロピルアルコール、ジエチルエーテル、酢酸イソアミル、酢酸ノルマルアミル、１、４−ジオキサン、テトラヒドロフラン、トリクロレタン、ノルマルヘキサン、メチルイソブチルケトン、ヘキサンやヘプタンを主成分とする石油ベンジン類や石油エーテル類であってもよい。
また、高沸点成分は、酢酸、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、トルエン、キシレン、ブタノール、イソブチルアルコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、クロルベンゼン、酢酸ノルマルブチル、１、４−ジオキサン、ジメチルホルムアミド、パークロルエチレン、メチルイソブチルケトン、メチルノルマルブチルケトンなどであってもよい。
本発明は、さらにその他の点においても上記実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲内において、応用、変形を加えることが可能である。
１ 第１蒸留塔
２ 第２蒸留塔
３ 第３蒸留塔
１１ 第１リボイラ
１２ 第２リボイラ
１３ 第３リボイラ
２１ 塔頂コンデンサ
３１ 真空ポンプ
３２ 吸引ライン
４１ 予熱器
５１ 冷却塔
５４ 冷却水循環ポンプ
６１ 第１循環ポンプ
６２ 第２循環ポンプ
６３ 第３循環ポンプ
６４ 還流ポンプ
７１ 第１温水循環ポンプ
７２ 第２温水循環ポンプ
７３ 第３温水循環ポンプ
８１ 第１冷水循環ポンプ
８２ 第１冷水循環ポンプ
８３ 第１冷水循環ポンプ
１００ 蒸留装置
ＨＰ１ 第１ヒートポンプ
ＨＰ２ 第２ヒートポンプ
ＨＰ３ 第３ヒートポンプ
２ 第２蒸留塔
３ 第３蒸留塔
１１ 第１リボイラ
１２ 第２リボイラ
１３ 第３リボイラ
２１ 塔頂コンデンサ
３１ 真空ポンプ
３２ 吸引ライン
４１ 予熱器
５１ 冷却塔
５４ 冷却水循環ポンプ
６１ 第１循環ポンプ
６２ 第２循環ポンプ
６３ 第３循環ポンプ
６４ 還流ポンプ
７１ 第１温水循環ポンプ
７２ 第２温水循環ポンプ
７３ 第３温水循環ポンプ
８１ 第１冷水循環ポンプ
８２ 第１冷水循環ポンプ
８３ 第１冷水循環ポンプ
１００ 蒸留装置
ＨＰ１ 第１ヒートポンプ
ＨＰ２ 第２ヒートポンプ
ＨＰ３ 第３ヒートポンプ
Claims (10)
- 高沸点成分と低沸点成分とを含有する液の蒸留を行い、前記低沸点成分を主成分とする第３塔頂ベーパと、前記低沸点成分よりも前記高沸点成分を高い割合で含有する第３塔底液に分離する第３蒸留塔であって、下記塔頂コンデンサにおける凝縮液の一部が還流液として塔頂に還流されるように構成された第３蒸留塔と、
前記第３蒸留塔が備える第３リボイラであって、前記高沸点成分と前記低沸点成分とを含有する原料液の一部と、当該第３リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第３塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパを、前記第３蒸留塔の塔底に供給する第３リボイラと、
前記第３蒸留塔の塔頂から取り出される前記低沸点成分を主成分とする前記第３塔頂ベーパを塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して凝縮させた、前記低沸点成分を主成分とする凝縮液のうちの一部が前記第３蒸留塔に還流され、前記第３蒸留塔に還流される前記一部を除いた残部が留出液として回収されるように構成された塔頂コンデンサと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第３リボイラに第３リボイラ用高温水として供給するように構成された第３ヒートポンプと、
前記第３リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第３塔底液との混合液の一部が塔頂から供給され、かつ、下記第２リボイラにおいて蒸発したベーパが塔底から供給されることにより蒸留が行われて、塔頂から第２塔頂ベーパが取り出され、塔底から第２塔底液が取り出されるとともに、前記第２塔頂ベーパが前記第３蒸留塔の塔底に供給されるように構成された第２蒸留塔と、
前記第２蒸留塔が備える第２リボイラであって、前記原料液のうちの、前記第３リボイラに供給された一部を除いた残部と、当該第２リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第２塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパを、前記第２蒸留塔の塔底に供給する第２リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、前記第３ヒートポンプに送られた一部と下記第１ヒートポンプに送られる他の一部とを除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第２リボイラに第２リボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプと、
前記第２リボイラにおいて蒸発させた後の液と、前記第２塔底液との混合液の一部が塔頂から供給され、かつ、下記第１リボイラにおいて蒸発したベーパが塔底から供給されることにより、塔頂から取り出される第１塔頂ベーパと、塔底から取り出される、前記低沸点成分をほとんど含まない第１塔底液とに分離されるとともに、前記第１塔頂ベーパが前記第２蒸留塔の塔底に供給されるように構成された第１蒸留塔と、
前記第１塔底液を循環させて加熱・蒸発させ、前記第１蒸留塔の塔底に供給する第１リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、前記第３ヒートポンプに送られた一部と前記第２ヒートポンプに送られた他の一部を除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第１リボイラに第１リボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプと、
前記第３ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第３リボイラに供給される前記第３リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１５℃以上４０℃以下の範囲で高く、前記第２ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第２リボイラに供給される前記第２リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも２５℃以上５０℃以下の範囲で高く、前記第１ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第１リボイラに供給される前記第１リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第３塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で高いという条件が満たされる操作圧となるように、前記塔頂コンデンサを経て真空吸引し、系内を減圧にする真空ポンプと
を備え、
前記第３ヒートポンプおよび前記第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、それぞれ、前記第１ヒートポンプのＣＯＰの値より０．５以上大きくなるように構成されていること
を特徴とする蒸留装置。 - 前記第３ヒートポンプおよび前記第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、それぞれ、前記第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．０以上大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の蒸留装置。
- 前記第３ヒートポンプおよび前記第２ヒートポンプとして、ＣＯＰの値が４．０以上８．０以下のヒートポンプが用いられるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸留装置。
- 前記第３蒸留塔および前記第２蒸留塔の塔径よりも前記第１蒸留塔の塔径の方が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の蒸留装置。
- 前記原料液が、前記低沸点成分を３０ｗｔ％〜７０ｗｔ％の範囲で含有し、前記高沸点成分を７０ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲で含有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の蒸留装置。
- 前記原料液の前記第３リボイラと前記第２リボイラへの供給割合を制御することにより、前記第３蒸留塔と前記第２蒸留塔における低沸点成分と高沸点成分の割合を調整することができるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の蒸留装置。
- 前記原料液のうち、前記第３リボイラに供給される前記原料液の割合が、全原料液の４５ｗｔ％〜９０ｗｔ％、前記第２リボイラに供給される前記原料液の割合が、全原料液から前記第３リボイラに供給される前記原料液を除いた残部となるように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の蒸留装置。
- 前記低沸点成分が有機溶剤であり、前記高沸点成分が水であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の蒸留装置。
- 前記低沸点成分と前記高沸点成分が、いずれも有機溶剤であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の蒸留装置。
- 前記原料液における低沸点成分がメタノール、高沸点成分が水であり、前記メタノールと前記水とをそれぞれ５０ｗｔ％ずつ含有している場合において、前記第３リボイラに供給される前記原料液の割合が、全原料液の６０ｗｔ％〜８０ｗｔ％、前記第２リボイラに供給される前記原料液の割合が、全原料液から前記第３リボイラに供給される前記原料液を除いた残部となるように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の蒸留装置。
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