JPH08131704A - 内部熱交換型蒸留塔 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 取り扱う物質の物性や蒸留分離の精度に対応
した伝熱面積を確保することが可能な内部熱交換型蒸留
塔を提供する。 【構成】 単管２をその軸方向に複数に分割形成すると
ともに、互に隣接する単管２（２ａ，２ｂ）の間に、一
方の単管２ａ（２ｂ）の管外５を構成する領域と他方の
単管２ｂ（２ａ）の管外５を構成する領域を連通させる
１以上の連通管２０を配設し、単管２の管壁及び連通管
２０の管壁を、高圧側から低圧側への伝熱面とすること
により、高圧側を濃縮部、低圧側を回収部として一つの
蒸留塔を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸留塔に関し、詳しく
は、低圧塔と高圧塔とを備え両者の間で熱交換を行う内
部熱交換型の蒸留塔に関する。

【０００２】

【関連技術及び発明が解決しようとする課題】従来、石
油化学その他の分野で種々の蒸留操作が行われている。
ところで、図４に示すような、従来の蒸留操作に用いら
れている蒸留塔によれば、例えばベンゼン・トルエン３
０tonを蒸留して、トルエン１６．５ton、ベンゼン１
３．５tonを回収しようとすると、入熱が４０００ｋ
Ｗ、放熱が３９４０ｋＷとなる。そして、この放熱が４
３℃の温排水と系外に排出されることになるが、温排水
の温度が４３℃と低いため温排水のもつ熱を利用するこ
とができず、そのまま排水されているのが現状であり、
省資源、省エネルギーの見地からみて好ましいものでは
ない。

【０００３】そこで、発明者等は、多管型熱交換器のよ
うに、単管または複数管を両端管板によって本体胴と連
結させて、管内と管外が隔離された構造とし、管内側と
管外側の操作圧力に差をつけることにより、管内側と管
外側のいずれか一方を低圧塔、他方を高圧塔とし、単管
または複数管の管壁を伝熱面として、両者の間で熱交換
を行わせるようにした内部熱交換型蒸留塔を提案してい
る（平成６年８月２９日提出の特許出願（整理番号ＫＣ
６０６２Ｐ），「発明の名称」内部熱交換型蒸留塔）。

【０００４】しかし、単管または複数管の管壁を伝熱面
として両者の間で熱交換を行わせるようにした構造の内
部熱交換型蒸留塔においては、確保することが可能な伝
熱面積に構造上の限界があり、取り扱う物質の物性や蒸
留分離の精度に対応して、理論的に最も効率よく省エネ
ルギー効果を発揮させるために必要な伝熱面積を確保で
きない場合がある。

【０００５】本発明は、上記問題点を解決するものであ
り、取り扱う物質の物性や蒸留分離の精度に対応した伝
熱面積を確保して、十分な省エネルギー効果を得ること
が可能な内部熱交換型蒸留塔を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の内部熱交換型蒸留塔は、本体胴内に単管を
挿入するとともに、管内（単管の内側）と管外（単管の
外側）が隔離された構造とし、管内側と管外側の操作圧
力に差をつけることにより操作温度を異ならせ、単管の
管壁などを伝熱面として、高圧側から低圧側に熱移動さ
せることにより、高圧側を濃縮部、低圧側を回収部とし
て一つの蒸留塔を構成した内部熱交換型蒸留塔におい
て、前記単管をその軸方向に複数に分割形成するととも
に、互に隣接する単管の間に、一方の単管の管外を構成
する領域と他方の単管の管外を構成する領域を連通させ
る１以上の連通管を配設し、前記単管の管壁及び前記連
通管の管壁を、前記高圧側から前記低圧側への伝熱面と
したことを特徴とする。

【０００７】また、塔頂より塔底に至る全蒸留部におけ
る、各単管の高さ（長さ）と、その間に配設された連通
管の高さ（長さ）を、内部熱交換型蒸留塔の最適設計値
に合わせて決定することを特徴とする。

【０００８】また、管内及び管外に充填物を充填したこ
とを特徴とする。

【０００９】また、管内に規則充填物を充填して濃縮部
とし、管外に不規則充填物を充填して回収部としたこと
を特徴とする。

【００１０】また、管内及び管外に棚段を設けたことを
特徴とする。

【００１１】また、管内に棚段を設け、管外に充填物を
充填したことを特徴とする。

【００１２】また、管内に充填物を充填し、管外に棚段
を設けたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】管内（単管の内側）と管外（単管の外側）を隔
離し、管内側と管外側の操作圧力に差をつけることによ
り、管内側と管外側のいずれか一方を低圧塔、他方を高
圧塔とし、単管の管壁を伝熱面として、高圧側（高温
側）から低圧側（低温側）に熱移動させることにより、
実用可能な内部熱交換型蒸留塔が構成される。

【００１４】さらに、前記単管をその軸方向に複数に分
割形成し、互に隣接する単管の間に、一方の単管の管外
を構成する領域と他方の単管の管外を構成する領域を連
通させる１以上の連通管を配設し、単管の管壁及び連通
管の管壁を、高圧側から低圧側への伝熱面とすることに
より、全体として必要な伝熱面積を確保することが可能
になり、取り扱う物質の物性や蒸留分離の精度に対応し
た、十分な省エネルギー化を図ることが可能になる。

【００１５】なお、蒸留操作は、主として、単管の内部
（管内）と外部（管外）で行われるが、連通管の内部及
び外部においても、連通管の管壁を上部より液が流れ、
下部より上昇する蒸気と気液接触する（いわゆる濡れ壁
塔となる）ことにより蒸留操作が行われる。

【００１６】また、塔頂より塔底に至る全蒸留部におい
て、内部熱交換型蒸留塔の最適設計値に合うように、各
単管の高さ（長さ）と、その間に配設された連通管の高
さ（長さ）を決定することにより、最も効率よく省エネ
ルギー化を図ることが可能になる。なお、各単管の高さ
（長さ）は、多くの場合、蒸留棚０．５〜５段程度に相
当する高さになるものと考えられるが、その範囲に特別
の制約はない。

【００１７】さらに、本発明の内部熱交換型蒸留塔にお
いては、管内及び管外に充填物を充填することにより、
蒸留分離の精度や省エネルギー効果を向上させることが
可能になり、特に、管内に規則充填物を充填して濃縮部
とし、管外に不規則充填物を充填して回収部とすること
により、さらに蒸留分離の精度や省エネルギー効果に優
れた内部熱交換型蒸留塔を得ることが可能になる。

【００１８】なお、管内に規則充填物を充填して濃縮部
とし、管外に不規則充填物を充填して回収部とすること
が望ましいのは、次のような理由による。

【００１９】(1)濃縮部から回収部に水平方向に熱移動
があるため、濃縮部では熱交換されて冷却された蒸気が
伝熱面を液膜となって流下する。一方回収部では、伝熱
面上の液膜は、加熱され、蒸発する。そして、蒸留効率
を向上させるためには、この伝熱面上で新しく発生した
液を蒸留部全体に均等に分散させることが重要である
が、それには、不規則充填物を充填するより規則充填物
を充填する方がはるかに有利である。また、管内に規則
充填物を充填するのはきわめて容易であるが、管外に規
則充填物を充填することは容易ではない。一方、伝熱面
上で新しく発生した蒸気の分散に関しては、規則充填、
不規則充填の差はそれほど大きいものではなく、いずれ
の場合にも、蒸気を蒸留部全体に均等に分散させること
が可能であると考えられる。

【００２０】(2)一般に、強度上は、高圧側は径の小さ
いことが望ましく、保温上は、操作温度の高い方が内部
にあることが望ましい。したがって、濃縮部（高圧（高
温）側）が管内となり、それを取り囲むように回収部
（低圧（低温）側）が管外となる構造とすることが望ま
しい。

【００２１】なお、内部熱交換型蒸留塔は、前記(1)に
おいて述べたように、濃縮部では蒸気が凝縮するので気
液の流量は下部ほど増加し、回収部では液が蒸発するの
で気液の流量は上部ほど増加する。したがって、濃縮部
断面積対回収部断面積の比（管内側総断面積／管外側総
断面積）は、塔頂が最も小さく、塔底になるにしたがっ
て増大し、塔底では最大になる構造であることが最も望
ましい。

【００２２】また、管内、管外を棚段構造とするとき、
その段間隔は、自由にとることが可能であるため、伝熱
面積を確保する見地から一段当りの高さを調整すること
ができる。

【００２３】なお、棚段構造とした場合には、伝熱面上
で凝縮した液がその段上で、必ず分散されるというメリ
ットがある。

【００２４】また、棚段構造としては、多孔板、無堰が
最も本発明の構造に適している。

【００２５】さらに、管内に棚段を設け、管外に充填物
を充填したり、あるいは、管内に充填物を充填し、管外
に棚段を設けたりすること（すなわち、充填物と棚段を
任意に組み合せること）も可能であり、これにより、設
計の自由度を向上させることが可能になる。

【００２６】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて説明
する。図１(ａ)はこの発明の一実施例にかかる内部熱交
換型蒸留塔を示す正面断面図、図１(ｂ)はそのＩｂ−Ｉ
ｂ線断面図である。

【００２７】この実施例の内部熱交換型蒸留塔（を構成
する構造体）Ａは、本体胴１内に複数に分割形成された
単管２，２……を挿入するとともに、互に隣接する単管
２の間に、一方の単管（例えば２ａ）の管外を構成する
領域（本体胴１と単管２ａにより仕切られた空間）５
（５ａ）と、隣接する他方の単管（例えば２ｂ）の管外
を構成する領域（本体胴１と単管２ｂにより仕切られた
空間）５（５ｂ）を連通させる複数（この実施例では１
０本）の連通管２０を配設することにより構成されてい
る。そして、各単管２の高さ（長さ）Ｈ、及び単管２の
間に配設された連通管２０の高さ（長さ）ｈの値（すな
わち、Ｈ及びｈの絶対値、及びＨとｈの比率）は、コン
ピュータにより算出した採算性に見合う最適設計値に合
わせて定められている。なお、この実施例では、各単管
２の高さ（長さ）Ｈは、蒸留棚１〜３段に相当する高さ
となっている。

【００２８】また、この内部熱交換型蒸留塔において
は、各単管２の管内（濃縮部）４とその外側部分である
管外（回収部）５が隔離された構造を有しており、管内
（濃縮部）４には規則充填物が充填され、管外（回収
部）５には不規則充填物が充填されている。

【００２９】本体胴１の上部には、最上部の単管２の管
外（回収部）５に液を供給するための回収部液入口６、
管外（回収部）５からの蒸気を抜き出す回収部蒸気出口
７、及び管内（濃縮部）４に液を供給するための濃縮部
液入口８が配設されているとともに、最上部の単管２か
ら延設された管２２ａの上部開口が管内（濃縮部）４か
らの蒸気を抜き出す濃縮部蒸気出口９となっている。

【００３０】一方、本体胴１の下部には、管外（回収
部）５に蒸気を供給するための回収部蒸気入口１０、管
外（回収部）５からの液を抜き出す回収部液出口１１が
配設されているとともに、最下部の単管２から延設され
た管２２ｂの下部開口が管内（濃縮部）４に蒸気を供給
するための濃縮部蒸気入口１２及び管内（濃縮部）４か
らの液を抜き出すための濃縮部液出口１３となってい
る。

【００３１】また、図２は、図１に示す内部熱交換型蒸
留塔（を構成する構造体）Ａと同等の内部熱交換型蒸留
塔（構造体）を用いて構成した内部熱交換型蒸留塔（装
置）を示す図である。なお、図２において、図１と同一
符号を付した部分は、図１の各部と同一の部分又は相当
する部分を示している。

【００３２】この内部熱交換型蒸留塔においては、原液
は構造体Ａの回収部液入口６に供給される。

【００３３】構造体Ａの回収部蒸気出口７は、管２３に
より濃縮部蒸気入口１２に接続されており、管２３には
蒸気を圧縮するための圧縮機２４が配設されている。

【００３４】さらに、構造体Ａの濃縮部液出口１３から
抜き出された液は、絞り弁２５を備えた管２６を経て回
収部液入口６に供給される。

【００３５】また、構造体Ａの濃縮部蒸気出口９から抜
き出された蒸気は、管２７により冷却器２８に導かれて
凝縮し、留出液として回収されるとともに、一部が濃縮
部液入口８に戻される。

【００３６】さらに、構造体Ａの回収部液出口１１から
抜き出された液は管２９を経て、缶出液として系外に排
出される。

【００３７】この内部熱交換型蒸留塔においては、例え
ば、図３に示すように、ベンゼン・トルエン３０tonを
蒸留して、トルエン１６．５ton、ベンゼン１３．５ton
を回収する場合に、入熱が２０００ｋＷ、圧縮機の動力
が４５０ｋＷ、回収される熱エネルギーが１５０℃（２
２００ｋＷ）となり、前述の従来の蒸留塔を用いる場合
に較べて格段の省エネルギーを実現することができる。

【００３８】なお、上記実施例では、各単管を連通させ
る連通管の配設数を１０本とした場合について説明した
が、連通管の配設数はこれに限られるものではなく、必
要な伝熱面積を確保すべく、その配設数を任意に調整す
ることが可能である。また、連通管の径や長さを調節す
ることによっても伝熱面積の大きさを調整することが可
能である。

【００３９】また、上記実施例では、一つの内部熱交換
型蒸留塔（構造体Ａ）を用いた場合について説明した
が、所定の蒸留性能が実現されるように、必要に応じて
構造体Ａを、複数段積み重ねるように構成することも可
能である。

【００４０】また、上記実施例では、管内側を濃縮部、
管外側を回収部とした場合について説明したが、場合に
よっては、管内側を低圧側として回収部とし、管外側を
高圧側として濃縮部とすることも可能である。

【００４１】また、上記実施例では、管内側に規則充填
物、管外側に不規則充填物を充填した場合について説明
したが、場合によっては、充填物の種類を同一にした
り、あるいは逆にしたり、さらには、棚段構造や、棚段
と充填物充填とを組み合せた構造とすることも可能であ
る。

【００４２】本発明は、さらにその他の点においても上
記実施例に限定されるものではなく、単管の配設数（分
割数）、互に隣接する単管の間隔、連通管の形状、管内
と管外の断面積の比率などに関し、発明の要旨の範囲内
において、種々の応用、変形を加えることが可能であ
る。

【００４３】

【発明の効果】上述のように、本発明の内部熱交換型蒸
留塔は、単管をその軸方向に複数に分割形成し、互に隣
接する単管の間に、一方の単管の管外を構成する領域と
他方の単管の管外を構成する領域を連通させる１以上の
連通管を配設し、単管の管壁及び連通管の管壁を、高圧
側から低圧側への伝熱面としているので、必要に応じ
て、連通管の管壁の面積（すなわち、連通管の本数、
径、長さなど）を調整することにより、全体として必要
な伝熱面積を確保することが可能になり、取り扱う物質
の物性や蒸留分離の精度に対応した、十分な省エネルギ
ー化を図ることが可能になる。

【００４４】なお、管内を濃縮部、管外を回収部とし
て、管内を規則充填物充填あるいは無堰多孔板の棚段、
管外を不規則充填物充填あるいは無堰多孔板の棚段とす
ることにより、最も実用的な内部熱交換型蒸留塔を構成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる内部熱交換型蒸留塔
（を構成する構造体）を示す図であり、(ａ)は正面断面
図、(ｂ)は(ａ)のＩｂ−Ｉｂ線断面図である。

【図２】本発明の一実施例にかかかる内部熱交換型蒸留
塔を示す図である。

【図３】本発明の一実施例にかかる内部熱交換型蒸留塔
の運転状態の一例を示す図である。

【図４】従来の蒸留塔の運転状態の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 本体胴 ２ 単管 ４ 管内（濃縮部） ５ 管外（回収部） ６ 回収部液入口 ７ 回収部蒸気出口 ８ 濃縮部液入口 ９ 濃縮部蒸気出口 １０ 回収部蒸気入口 １１ 回収部液出口 １２ 濃縮部蒸気入口 １３ 濃縮部液出口 ２０ 連通管 ２２ａ 最上部の単管から延設された管 ２２ｂ 最下部の単管から延設された管 ２４ 圧縮機 ２８ 冷却機 Ｈ 各単管の高さ（長さ） ｈ 連通管の高さ（長さ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松尾 洋志 兵庫県尼崎市杭瀬寺島２丁目１番２号 木 村化工機株式会社内 (72)発明者 野田 秀夫 兵庫県尼崎市南七松町２丁目９番７号 関 西化学機械製作株式會社内 (72)発明者 松原 五作 東京都中央区八丁堀二丁目25番10号 丸善 石油化学株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 本体胴内に単管を挿入するとともに、管
   内（単管の内側）と管外（単管の外側）が隔離された構
   造とし、管内側と管外側の操作圧力に差をつけることに
   より操作温度を異ならせ、単管の管壁などを伝熱面とし
   て、高圧側から低圧側に熱移動させることにより、高圧
   側を濃縮部、低圧側を回収部として一つの蒸留塔を構成
   した内部熱交換型蒸留塔において、 前記単管をその軸方向に複数に分割形成するとともに、 互に隣接する単管の間に、一方の単管の管外を構成する
   領域と他方の単管の管外を構成する領域を連通させる１
   以上の連通管を配設し、 前記単管の管壁及び前記連通管の管壁を、前記高圧側か
   ら前記低圧側への伝熱面としたことを特徴とする内部熱
   交換型蒸留塔。
2. 【請求項２】 塔頂より塔底に至る全蒸留部における、
   各単管の高さ（長さ）と、その間に配設された連通管の
   高さ（長さ）を、内部熱交換型蒸留塔の最適設計値に合
   わせて決定することを特徴とする請求項１記載の内部熱
   交換型蒸留塔。
3. 【請求項３】 管内及び管外に充填物を充填したことを
   特徴とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留塔。
4. 【請求項４】 管内に規則充填物を充填して濃縮部と
   し、管外に不規則充填物を充填して回収部としたことを
   特徴とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留塔。
5. 【請求項５】 管内及び管外に棚段を設けたことを特徴
   とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留塔。
6. 【請求項６】 管内に棚段を設け、管外に充填物を充填
   したことを特徴とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留
   塔。
7. 【請求項７】 管内に充填物を充填し、管外に棚段を設
   けたことを特徴とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留
   塔。