JPH05237302A - 蒸留装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 蒸気圧縮式のヒートポンプの適用を実用化す
ることにより、省エネルギー化を図る。 【構成】 圧縮機２は、多段蒸留塔１の頂部１ｂの蒸気
を吸入してこれを圧縮し、蒸発器３では、この蒸気によ
り原料液が加熱され部分的に蒸発すると共にこの蒸気は
液化して留出液になる。加熱器４では、底部１ａの液が
加熱され蒸気と最終濃縮液とに分離される。蒸発器３で
発生した蒸気及び濃縮された原料液の一部分は、多段蒸
留塔１のほぼ同じ組成の部分に導入され、留出液の一部
分も頂部１ｂに導入される。 【効果】 圧縮機２の圧縮比が小さくなり、蒸気圧縮式
のヒートポンプの適用を実用化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、底部から高沸点成分の
多い液を取り出すと共に頂部から低沸点成分の多い蒸気
を取り出す気液接触塔を備えた蒸留装置に関し、特に蒸
気圧縮によるヒートポンプ適用技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】原料液を気化させることによりその各成
分を分離留出する蒸留装置としては、多段蒸留塔に原料
液を供給し、底部の液を取り出してリボイラでその大部
分を蒸発させて塔内の分留蒸気にすると共に濃縮液を取
り出し、頂部から分留した蒸気を取り出して全縮器で冷
却水等により凝縮させ頂部留出液として取り出す装置が
一般的に知られている。しかしこのような装置では、全
縮器で蒸気の潜熱を冷却水等に廃棄するため熱エネルギ
ーの有効利用が図れない。

【０００３】この問題を解決するために、蒸気圧縮法に
よるヒートポンプを適用することにより、全縮器へ廃棄
される熱をリボイラの加熱熱源に利用する方法も知られ
ている。しかしながら、原料液を分留するために必要と
なる温度・圧力の蒸気をリボイラで発生させるには、頂
部の蒸気圧力よりも十分高い圧力の蒸気をリボイラに供
給する必要があり、圧縮機で低圧蒸気を圧縮する場合
に、この圧力差がブロワ等の通常の圧縮機で達成可能な
圧縮範囲を遙に超えているため、上記の如き方法は実用
化されることが困難であった。

【０００４】一方、蒸留装置の省エネルギー化を図る方
法として、高圧蒸気を駆動蒸気として頂部の低圧蒸気の
一部分をエゼクタで吸引してリボイラに送り、その加熱
蒸気とする方法が提案されている（特開昭６２ー５３７
０２号公報参照）。しかしながら、この方法によれば、
相当量の高圧駆動蒸気を必要とするため、この蒸気の持
つ熱量に相当する熱量の低圧蒸気が余分になってその潜
熱がコンデンサに廃棄されることになり、十分な省エネ
ルギー化が図られないという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術に於
ける上記問題を解決し、蒸気圧縮式のヒートポンプの適
用を実用化することにより、十分省エネルギー化の図ら
れた蒸留装置を提供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、底部から高沸点成分の多い液を取り出すと
共に頂部から低沸点成分の多い蒸気を取り出す気液接触
塔を備えた蒸留装置に於いて、前記蒸気を圧縮する蒸気
圧縮手段と、該圧縮された蒸気により原料液を加熱して
部分的に蒸発させることにより前記蒸気を液化させ留出
液にする蒸気発生手段と、前記液を加熱して蒸発させる
加熱手段と、を有し、前記蒸気発生手段で発生した蒸気
及び前記原料液のうち蒸発しなかった部分を前記気液接
触塔に導入すると共に前記留出液の一部分を前記頂部に
導入する、ことを特徴とする。

【０００７】

【作 用】気液接触塔では、底部で蒸発した蒸気が上部
液と直接接触することにより、原料液中の低沸分と高沸
分とが分離されるようになっているが、この間で蒸気に
圧力損失が生じるため、蒸留塔の底部では頂部より圧力
が高くなっている。又、底部で加熱される液は、蒸気圧
の低い高沸点分を多く含む液であるため、その蒸発温度
を或る程度高くしなければ、圧力損失も含めて必要な底
部蒸気圧力が得られない。このため、底部の液を蒸気で
加熱するとすれば、高い飽和温度を持つ高い圧力の蒸気
が必要になる。

【０００８】ところが本発明によれば、気液接触塔の頂
部から留出した蒸気を蒸気圧縮手段で圧縮して原料液の
加熱源として使用し、蒸気発生手段で原料液から蒸気を
発生させこれを気液接触塔に導入するので、この発生し
た蒸気は、導入部の圧力にほぼ等しい圧力の蒸気であれ
ばよい。従って、このような蒸気を発生させるための加
熱蒸気は低い圧力の蒸気でよいことになる。その結果、
頂部蒸気を圧縮してこのような加熱蒸気を発生させる蒸
気圧縮手段の圧縮比は、底部の液を直接加熱する場合よ
りも大幅に小さくなり、通常の圧縮機の使用が可能にな
る。そしてこの場合、原料液の加熱源として使用した蒸
気は、原料液にその潜熱を与えてこれを部分的に蒸発さ
せることにより液化し、留出液として回収されるので、
頂部から留出した蒸気の潜熱が有効に利用されることに
なる。

【０００９】次に、蒸気発生手段で発生した蒸気及び原
料液の一部分を気液接触塔の中間部分に導入すると共に
留出液の一部分を頂部に導入するので、蒸気は、その上
昇過程で頂部から流下する留出液と接触して更に精留さ
れた後再び蒸気圧縮手段により圧縮され、一方原料液
は、底部から上昇してくる蒸気と接触して分留されつつ
下段へ流下する。

【００１０】一方、各段で濃縮され最下段の底部に流下
した液は、加熱手段により加熱され蒸発されるので、リ
ボイラとしての作用が行われ、上段から流下してくる原
料液を分留するための蒸気が発生すると共に、高沸点成
分の濃縮された最終濃縮液が生成される。この場合、加
熱手段により底部に流下した液に熱が加えられるが、原
料液は蒸気発生手段により頂部蒸気の潜熱を与えられて
その大部分が蒸発しているので、流下する液の量は少な
く、従ってその加熱に必要な熱量も少ない。なお、この
ような加熱手段を、従来のリボイラの如く気液接触塔と
は別体として設けてもよいが、本発明の如く気液接触塔
の底部における交換熱量が少ない場合には、これを気液
接触塔の底部に一体として組み込むことが可能となる。
このようにすれば、装置の構成が簡略化しコスト低減の
効果も生ずる。

【００１１】

【実 施 例】図１は本発明を適用した蒸留装置の一例
を示す。蒸留装置は、気液接触塔の一例である多段蒸留
塔１と、蒸気圧縮手段としての圧縮機２と、蒸気発生手
段としての蒸発器３と、加熱手段としての加熱器４と、
更に本実施例では、留出液一次冷却器５及び留出液二次
冷却器６とを備えている。符号７及び８はそれぞれポン
プである。

【００１２】多段蒸留塔１では、底部１ａで発生した蒸
気が頂部１ｂの方向に流れ、この蒸気が上方に位置する
被濃縮と各段で接触することにより沸点の異なった成分
が分離し、底部には高沸点成分の濃縮された液が流下し
頂部からは殆どが低沸点成分から成る蒸気が取り出され
る。

【００１３】圧縮機２は、この多段蒸留塔１の頂部１ｂ
の蒸気を吸入し、これを、蒸発器３に供給される原料液
を加熱して蒸発させ得る圧力まで圧縮する。この圧縮機
は、ブロワ等の通常の形式のものである。

【００１４】蒸発器３は、圧縮機２で昇圧・昇温された
加熱蒸気により、供給された原料液を加熱してその大部
分を蒸発させると共に、この熱交換により、加熱蒸気を
液化して留出液にする。この場合、原料液の蒸発量は、
主として加熱蒸気の潜熱量によって定まる。これに伴
い、供給された原料液のうち、蒸発されずに残留し濃縮
される原料液の量も定まる。なお本図では、原料液を直
接蒸発器３に入れているが、これをポンプ７の出口側に
結合するようにしてもよい。

【００１５】加熱器４は、本実施例では多段蒸留塔１の
底部１ａに配設され、加熱源として蒸気を供給され、底
部１ａに流下した液を加熱して蒸気と最終濃縮液とに分
離する。このように加熱器４が多段蒸留塔１と一体化さ
れているので、蒸留装置の構成が簡素化されている。

【００１６】蒸発器３で発生した蒸気及び原料液のうち
蒸発しなかった部分即ち濃縮された原料液は、図におい
て太線で示す如く、多段蒸留塔１において同じ組成にな
っている部分に導入される。又、留出液の一部分は多段
蒸留塔１の頂部１ｂに導入される。そして、多段蒸留塔
１に導入された蒸気は、その上昇過程で流下する留出液
と接触して精留され、一方、導入された原料液は底部１
ａから上昇してくる蒸気と接触し、その中の低沸点成分
が蒸発すると共に蒸気中の高沸点成分は液化して下方に
流下し回収される。

【００１７】ポンプ７は蒸発器３の濃縮された原料液を
吸入して吐出する。又、ポンプ８で吸入され圧送される
留出液は、留出液一次冷却器５により多段蒸留塔１の頂
部１ｂの設計温度とほぼ等しい温度まで冷却され、上記
の如く一部分が頂部１ｂへ送られると共に、他の大部分
は、更に熱回収のため留出液二次冷却器６において原料
液に熱を与えて冷却された後回収される。従って、原料
液は、先ず留出液二次冷却６に導入され続いて留出液一
次冷却器５に入り、この間に予熱されて蒸発器３に導入
される。

【００１８】次に具体例として、本蒸留装置により、単
位時間で、重量％（ｗｔ％）５のエチレングリコールを
含むエチレングリコール水溶液１００ｋｇをエチレング
リコール９５ｗｔ％の濃縮液と同０．１ｗｔ％の水溶液
とに分離する場合について説明する。

【００１９】図示の如く、底部１ａではエチレングリコ
ール９５ｗｔ％の濃縮液が形成される。そして、エチレ
ングリコールの蒸気圧が水の蒸気圧より低いので、頂部
１ｂとの間で必要な圧力差を形成するように、底部１ａ
の圧力を例えば４７０ＴＯＲするため、底部液を約１３
８°Ｃまで加熱する。このため加熱器４には、圧力２９
４０ＴＯＲ、温度１４３°Ｃの加熱蒸気９．６ｋｇ／ｈ
（図では”／ｈ”を省略して示している。以下同様に省
略する）が供給され、これにより多段蒸留塔１の底部１
ａでは、圧力４７０ＴＯＲ、温度１３８°Ｃのエチレン
グリコール蒸気と水蒸気との混合蒸気が発生する。この
蒸気は、原料液と接触する間に次第に水蒸気の多い蒸気
に変わると共に圧力降下を生じ、頂部１ｂでは、圧力４
３０ＴＯＲ、温度８５°Ｃ、０．１ｗｔ％の蒸気にな
る。

【００２０】一方、エチレングリコール水溶液１００ｋ
ｇは、留出液二次冷却器６により予熱された後留出液一
次冷却器５で更に留出液の熱を吸収し、蒸発器３に導入
される。蒸発器３では、供給された原料液及び循環され
る４０ｗｔ％の濃縮液のうち８９．７ｋｇが蒸発すると
共に、残りが４０ｗｔ％の濃縮液となってポンプ７で抽
出される。そして濃縮液１０．３ｋｇ及び蒸気８９．７
ｋｇが多段蒸留塔１に導入される。この蒸気は、高沸点
成分であるエチレングリコールの含有率が１ｗｔ％とい
う比較的低沸分の少ない蒸気であるが、上昇過程で多段
蒸留塔１の頂部１ａに供給される４．５ｋｇの留出液と
接触する間に更に精留される。又、多段蒸留塔１に導入
された４０ｗｔ％、１０．３ｋｇの濃縮された原料液
は、下方に流下する間に分離され、低沸点成分である水
が蒸発すると共に、９５ｗｔ％の高濃度の濃縮液５．２
１ｋｇ（エチレングリコール４．９５ｋｇ、水５．２１
ｋｇ）が底部１ａから取り出される。

【００２１】底部から上昇した蒸気及び中間段に導入さ
れた蒸気が合流した頂部１ａの蒸気９９．３ｋｇは、圧
縮機２により圧力６５８ＴＯＲまで圧縮される。この圧
力は、蒸発器３により発生した蒸気を導入しようとする
多段蒸留塔１の導入部の圧力とほぼ等しい圧力の蒸気を
蒸発器３で発生し得るだけの飽和温度（９６°Ｃ）を有
する圧力であるが、多段蒸留塔１の底部１ａの液を加熱
する蒸気の圧力２９４０ＴＯＲより十分低い圧力であ
り、通常のブロアで昇圧し得る範囲の圧力である。そし
てこの圧縮された蒸気は、蒸発器３で原料液に熱を与え
てこれを蒸発させる間に液化し、最終的にエチレングリ
コールの少ない０．１ｗｔ％の高純度の水９４．７９ｋ
ｇ（エチレングリコール０．０５ｋｇ、水９４．７４ｋ
ｇ）となる。このようにして、本発明の蒸留装置では、
低圧蒸気の潜熱を廃棄することなく利用し、蒸気圧縮法
によるヒートポンプの適用が可能になる。

【００２２】なお以上の実施例においては、気液接触塔
が多段蒸留塔である場合を示したが、本発明はこれに限
られず、充填塔のような他の形式の気液接触塔に対して
も適用できることは言うまでもない。

【００２３】図２は、図１の蒸留装置で設けた蒸発器３
を設けることなく、従来技術の発想で蒸気圧縮法による
ヒートポンプを適用した場合の例を示す。この場合に
は、圧縮機２´で蒸気を４３０ＴＯＲから２９４０ＴＯ
Ｒまで圧縮しなければならず、その圧縮比が大きくな
り、通常の圧縮機では昇圧困難であると共に、圧縮に必
要となる動力も非常に大きくなり電力消費が増大する。
図１及び図２における圧縮機の理論断熱圧縮動力を、式 Ｌ＝（Ｋ／Ｋ−１）（Ｐ₁ Ｑ／６１２０）〔（Ｐ₂ ／Ｐ₁ ）^K-1/K −１〕 により、Ｋ＝１．３３として計算すると、その動力は、
本発明の図１の装置では１．９５ＫＷになる。これに対
して、図２の例では１１．５ＫＷになり、非常に大きな
電力になる。なお上式では理論断熱圧縮動力を求めたの
で、実際に必要になる動力は、圧縮機の熱効率、機械効
率等を考慮すれば更に大きくなり、従って両装置の動力
の差も一層大きくなる。

【００２４】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、圧縮手段の
圧縮比を小さくすることにより、蒸気圧縮式のヒートポ
ンプの適用を実用化することができ、低圧蒸気の潜熱を
廃棄することなく蒸留装置の省エネルギー化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の蒸留装置の説明図である。

【図２】従来技術によりヒートポンプを適用した場合の
蒸留装置の説明図である。

【符号の説明】

１ 多段蒸留塔 ２ 圧縮機（圧縮手段） ３ 蒸発器（蒸発手段） ４ 加熱器（加熱手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 底部から高沸点成分の多い液を取り出す
   と共に頂部から低沸点成分の多い蒸気を取り出す気液接
   触塔を備えた蒸留装置に於いて、 前記蒸気を圧縮する蒸気圧縮手段と、該圧縮された蒸気
   により原料液を加熱して部分的に蒸発させることにより
   前記蒸気を液化させ留出液にする蒸気発生手段と、前記
   液を加熱して蒸発させる加熱手段と、を有し、前記蒸気
   発生手段で発生した蒸気及び前記原料液のうち蒸発しな
   かった部分を前記気液接触塔に導入すると共に前記留出
   液の一部分を前記頂部に導入する、ことを特徴とする蒸
   留装置。