JPS61282765A - 高圧縮ヒ−トポンプ熱回収方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は例えば各種の蒸発装置やエチレン製造装置など
の蒸留塔間における熱エネルギーの利用に関し、詳しく
は蒸留塔々頂ベーパを低温側熱源とし、水蒸発器によっ
て水蒸気の保有熱に置換し、圧縮機によって吸引昇圧し
て、水を作動媒体とするヒートポンプサイクルを形成し
、０塔あるいは他塔の加熱源として熱回収を計る技術に
関する。

従来の技術 従来から蒸留塔々頂ベーパの熱回収方法として、塔頂ベ
ーパを水蒸発器の加熱源きして利用し、水の保有熱に置
換することによって、水蒸気として回収し、機械式圧縮
機で吸引、昇圧し、昇温蒸気を加熱源として有効利用す
るいわゆる圧縮式ヒートポンプが各種産業分野で採用さ
れている。水を作動媒体とする圧縮式ヒートポンプにお
いては、圧縮機として単段のターボ圧縮機が多用され、
作動媒体としての水の特性上、水の蒸発温度が６０〜７
０℃以上の比較的高い温度で使用されている。

発明が解決しようとする問題点 現在使用されているヒートポンプ用の単段ターボ圧縮機
としては、断熱ヘッドの最高値は１１，０００〜１３．
０００ｋｇ−ｍ／ｋｇ程度であり、水蒸気ノ圧縮温度差
として１７〜２０℃となる。ヒートポンプシステムでの
水蒸発器及び加熱器の熱交換に必要な温度差を差し引く
と、実質的な昇温幅は７〜１０℃程度となって、蒸留塔
々頂ベーパの熱回収を考える場合その用途が限定される
。そこで昇温幅を増大するため単段のターボ圧縮機を２
段直列に接続する方法が考えられている。この場合第１
図のように第１圧縮機の出口側にインタークーラを設置
し、常温の冷却水で直接昇圧蒸気中にスプレーし、減温
することにより、過熱蒸気から熱の回収を行うとともに
、第１圧縮機の軸動力の低減をはかる方法が一般に採用
されている。しかしながら、常温の冷却水による減温は
飽和温度までの顕熱がそのまま熱ロスとなり、昇温蒸気
と噴霧水の接触時間が延長され、かつ残留ミスト粒径が
大きくなり減温操作が円滑に行われず、ドレンアタック
によるインペラーのエロジョンが起きる。また単段のタ
ーボ圧縮機を２段直列に接続すると、圧縮機の機械的損
失が倍増することに加えてインタークーラが大形になる
という問題もあり、設備費が増大する割には熱回収の利
点が大きくないという欠点があった。

問題点を解決するための手段 そこで本発明では上記問題点を解決することを目的とし
、圧縮機として増速機を共用する２段ターボ圧縮機を使
用することによって機械的損失を低減し、軸動力を減少
させるとともに、第１圧縮機出口と第２圧縮機人口の間
に設けるインタークーラの冷却水に常温の水を使用する
ことに代えて、系内で得られる熱保有水を使用すること
によって熱回収の効率化をはかり、経済性の高い圧縮式
ヒートポンプを提供しようとするものである。

そこで、インタークーラーを直接式インタークーラとし
たものでは、第２圧縮機の昇温蒸気を用いたりボイラー
の凝縮水を昇圧し、この熱水を第１圧縮機からインター
クーラーに導入される加熱蒸気の減温用に温度調整して
、インタークーラー内に直接噴霧し、蒸発、冷却させる
ようにし、また、間接式インタークーラとしたものでは
、水蒸発器の循環水を冷却水としてこのインタークーラ
に送り、昇温した冷却水を水蒸発器に戻すことによって
効率の高い減温操作を行うことも可能としたものであり
、両方式ともインタークーラに系内から得られる熱保有
の水を使用し、熱回収だけでなくその収支にも改善を加
えるようにしたものである。

実施例 以下本発明の実施例をフロー図によって詳細に説明する
。

本実施例はエチレン製造装置のベンゼン及びトルエンの
精製蒸留塔間の熱回収に２段ターボ圧縮式ヒートポンプ
装置を適用したものであって、第２図は同装置に直接熱
交換式のインタークーラを、第３図は同じく間接熱交換
式のインタークーラを採用した場合のヒートポンプの要
部を示している。

第１図において、Ａはトルエン塔、Ｂはベンゼン塔であ
り、それぞれリボイラーＡｔ　、Ｂ＋　を有し、ベンゼ
ン塔Ｂはさらに補助のりボイラーＢ２を有して図に示す
ように配管により接続されてエチレン製造装置の一部を
構成している。

両塔Ａ、Ｂの中間にはトルエン塔Ａの塔頂Ａ２からベン
ゼン塔ＢのリボイラーＢ、にかけて、順に水蒸発器１０
、過熱器２０．２段ターボ圧縮機３０、減温器４０が配
置され配管により接続されており、水を作動媒体とした
圧縮式ヒートポンプを形成している。ここで水蒸発器１
０は液膜流下式熱交換器を使用したものであってシェル
１１とチューブ１２とを含み、シェル１１側上部を塔Ａ
の塔頂Ａ２　とベーパ管ＴＶによって接続しており、そ
の底部１３から頂部１４には循環ポンプ１５を有する循
環管路１６を設けである。１７はチューブ１２下方の液
室で循環水と蒸発蒸気が分離される。シェル１１の下部
は留出液槽１８および留出液ポンプ１９とコンデンセー
ト管路ＴＣで接続されている。ＴＲはΔ塔の塔頂Δ２へ
の還流液配管である。

次に過熱器２０は、第２図に示すように、その入口２１
が前記液室１７とライン■１　　によって接続され、出
口２２はライン■２　によって後段の２段ターボ圧縮機
３０に接続されており、人口２１側にはミストセパレー
タ２３を前置または内蔵し、補集ミストを液室１７に戻
すためのドレン配管２４を設けている。出口側過熱部に
は熱交換器が設置され、その加熱用蒸気の入口は蒸気管
２５と接続し、出口側はドレン配管２６と接続してある
。

ターボ圧縮機３０は第１及び第２圧縮機Ｔ１、第２　を
共軸に２段に組合わせ、それらの増速機ＳＵを共用させ
たものであって、第１圧縮機Ｔ１、第２圧縮機Ｔ２　の
それぞれの人口、出口を３１．３２；３３．３４として
ある。第２圧縮機Ｔ２の出口３４側はライン■３　によ
って減温器４０を経てＢ塔のりボイラーＢ１　　に接続
されている。ライン■３　の一部は減温器４０の入口で
分岐され前記蒸気管２５となっている。

ライン■３からリボイラーＢ１　に送られる蒸気はその
加熱源となり、その凝縮水は管路Ｃ１を通す、圧力差に
よってリボイラー３１　から水蒸発器１０の下部に戻さ
れる。管路Ｃ３は過熱器２０からのドレン管２６を合流
させ、水蒸発器１０の手前で膨張弁Ｃ■を介在させてヒ
ートポンプサイクルを形成するとともに、その一部は管
路４１として分岐され、昇圧ポンプ４２を介して減温器
４０に接続されている。

次に、本発明では２段ターボ圧縮機３０の第１圧縮機Ｔ
１　　と第２圧縮機Ｔ２　の中間にインタークーラを配
置している。即ち、第２図において、インタークーラ５
０は直接熱交換式のものであって、その人口側５１をラ
イン■４　　によって第１圧縮機Ｔ、の出口３２と接続
し、出口側５２をライン■５によって第２圧縮機Ｔ２の
入口３３と接続してある。またインタークーラ５０の入
口側には噴霧ノズル５３が設けられ、前記分岐管　４１
からの凝縮水ＣＩ　の１部Ｃ２が２重管式熱交換器５４
を通って減温水として送り込まれており、第１圧縮機Ｔ
、からの蒸気■、は出口側に内蔵されたミスト・セパレ
ータ５５を経て第２圧縮機Ｔ２の入口３３に吸引■５　
　される。ミスト・セパレータ５５からのドレン５６は
水蒸発器１０の液室　１７に戻されている。なお２重管
式交換器５４には水蒸発器１０の循環水の一部または通
常の冷却水が通水され、出口水はドレン５７として液室
　１７に戻されている。

次に、本発明の第２の態様ではインタークーラを間接熱
交換式のものとしている。即ち、第３図において、イン
タークーラ６０を間接式熱交換器として形成し、第１圧
縮機Ｔ、　　と第２圧縮機Ｔ２の中間に配置している。

このインタークーラ６０の入口側６１はライン■、によ
って第１圧縮機Ｔ１　の出口３２と接続し、出口側６２
をライン■５　によって第２圧縮機Ｔ２の人口３３と接
続している点は前例と同様である。このインタークーラ
の熱交換器６３は蒸気出口側のシェル６４に水蒸発器１
０の循環管路１６からの分岐管６５を接続し、蒸気人口
側のシェル６６からは水蒸発器１０の液室１７にドレン
管６７が接続されて、循環ポンプ１５の駆動によって循
環されている循環水の一部を供給している。そしてトル
エン塔へから水蒸発器１０までとベンゼン塔Ｂのリボイ
ラーＢ１　以後の構成は前例と全く同様であり、水蒸発
器１０からリボイラーＢ、までの圧縮式ヒートポンプ回
路も、インタークーラとそれに伴う一部の管路を除いて
同様である。

上記両実施例においては、水蒸発器１０としては液膜流
下式熱交換器を採用したが、サーモサイフオン型、液膜
上昇式等信の型式の蒸発器も使用できる。

また過熱器２０における過熱はラインｖ３　の蒸気の一
部を使用した間接熱交換器によって行っているが、ライ
ンｖ１　の蒸気管に別途の過熱用蒸気を直接投入し、混
合することによっても発生蒸気■１　を過熱することが
可能である。

さらにリボイラーＢ１　　にも液膜流下式熱交換器を採
用したが、水蒸発器１０と同様にサーモサイフオン型等
の他の型式の熱交換器を採用することができる。

遺浬 上記実施例に示される装置の運転について説明し、本発
明の作用についてのべる。ただし、フローシートに示す
機器、管路の参照符号はそのまま通過する流体を示すこ
とがある。

第１図においてトルエン塔Ａの塔頂Ａ２　からの塔頂ベ
ーパＴＶは水蒸発器１０のシェル１１に導入され、チュ
ーブ１２を流下する循環水と熱交換して作動媒体として
の水の加熱源となり、シェルｌｌ側下部での凝縮したト
ルエンベーパのコンデンセー）ＴＣは留出液槽１８に流
入したのち、ポンプ１９で送り出され、その一部のコン
デンセートが還流液ＴＲとしてＡ塔の頂部に戻されると
ともに残部が留出液ＴＣとして抜き出される。

水蒸発器１０は液膜流下式の熱交換器であって、トルエ
ンベーパの持つ熱エネルギーを水の蒸発によって水蒸気
に置き換える。すなわち、熱エネルギーはシェル１１側
からチューブ１２に置換され、管路１６の循環水は蒸発
して下部液室１７に噴出し、ここで蒸発蒸気と循環水が
分離される。以下第２図において蒸気■１　は例えば１
０９℃で過熱器２０に送られ、まずミストセパレータ２
３において同伴するミストが除去されたのち、過熱器２
０において蒸気管２５から加熱され、５〜１０℃の過熱
蒸気■２　として２段ターボ圧縮機３０に吸引される。

蒸気■２　は２段ターボ圧縮機３０で第１、第２圧縮機
Ｔ、　、Ｔ２　の順に昇圧昇温され、蒸気■３を得てい
る。本発明では第１圧縮機Ｔ、の出口３２と第２圧縮機
Ｔ２　の入口３３の中間にインタークーラ５０を設けて
それぞれライン■４、■５で接続しており、インターク
ーラ５０には１５０℃の凝縮水Ｃ１の１部Ｃ２は水蒸発
器１０の循環水の一部が管路１６から分岐して供給され
る２重管式熱交換器５４を通過したのち、第１圧縮機Ｔ
。

の出口３２における圧力に相当する飽和温度まで冷却さ
れる。この、冷却された凝縮水Ｃ２は減温水として噴霧
５３されて、蒸気■４　を飽和温度近くまで減温し、■
４　はミストセパレータ５５を経て■５　として第２圧
縮機Ｔ２の入口に吸引される。

こうして、インタークーラ５０において５〜１０℃の過
熱蒸気の状態まで減温された蒸気が第２圧縮機Ｔ２　に
吸引される。

第２圧縮機Ｔ２で５０〜７０℃だけ昇温、過熱された蒸
気Ｖ３は減温器４０で飽和温度（１５０℃）近くまで減
温され、ベンゼン塔ＢのリボイラーＢ、　　の加熱源と
して使用されペンセン塔Ｂが必要さするりボイラー熱量
の大部分をまかなうことになる。

リボイラーＢ、からの凝縮水Ｃ１は過熱器２０からのド
レン２６を加え・て膨張弁Ｃｖにおいてフラッシュ蒸発
され、フラッシュベーパを含有した状態で液室１７に戻
され、ヒートポンプサイクルを形成し、熱回収を行って
いる。

直接式インタークーラ５０を採用した本実施例では第１
圧縮機Ｔ１　の出口３２の蒸気流量は３１５０ｋｇ／ｈ
ｒ、圧力は１．５ｋｇ／ｃｏｆＧ（水の飽和温度１２７
℃、飽和蒸気エンタルピー６４８．７Ｋｃａｌ／ｋｇ）
、蒸気のエンタルピーは６８２．５Ｋｃａｌ　／　ｋｇ
であり、上記飽和温度（１２７℃）まで冷却された凝縮
水Ｃ２により減温されてインタークーラ５０の出口５２
では１３７℃の過熱蒸気となる。インタークーラ５０に
入った減温水５３は既に沸点になっているため直ちに蒸
発を開始し、第１圧縮機Ｔ、の出口３２の蒸気■４　は
短時間で減温される。このときの減温水の蒸発量は１７
５ｋｇ／ｈｒであり、第１圧縮機Ｔ１　での断熱圧縮損
失が蒸気として回収される。ここで従来例のように減温
水として常温冷却水を使用する場合、冷却水が１２７℃
の沸点まで上昇するのに必要な熱量は減温水蒸発蒸気量
の６３ｋｇ／ｈｒに相当する。即ち回収蒸気は１１２ｋ
ｇ／ｈｒとなり、沸点で供給するよりも回収蒸気量が減
少し、減温操作の効率が低い。

次に間接式インタークーラ６０を採用した本発明の他の
実施例では、第１圧縮機Ｔ、の出口３２を出た過熱蒸気
■４　はインタークーラ６０内で熱交換して冷却される
。この冷却水は水蒸発器１０の循環水１６を使用するも
ので、蒸気■、と間接熱交換して昇温されるが、水蒸発
器１０の水温以上となっているため管路６７から液室１
７に導かれたときにそこでフラッシュ蒸発し、第１圧縮
機Ｔ１　　の断熱圧縮損失がフラッシュ蒸気という形で
回収される。

発明の効果 本発明は上記のようにヒートポンプが構成されているか
ら、作用の説明のような効率的熱回収が行われる。即ち
、直接式インタークーラを採用して、ここに第２圧縮機
の出口の昇温蒸気の凝縮水を利用することにより、従来
例のような冷却水を用いるものと対比して格段の熱回収
効率が得られている。

また、インタークーラにおける冷却によって減温操作の
効率が悪いと、インタークーラに内蔵のミストセパレー
タではミストを十分に分離できず、残存する粒径の大き
なミストによって、高速回転する圧縮機のインペラーへ
のドレンアタックによるエロージョンの発生の問題が避
けられないが、常温の冷却水に代えて第２圧縮機の出口
蒸気の凝縮水を利用する本発明では圧縮機の保全条件を
有利に改善する。この効果は間接式インタークーラを採
用する場合に一層顕著であり、インタークーうを出て圧
縮機に吸引される蒸気は全くミストを含有しないため、
ドレンアタックによるインペラーのエロージョンの問題
は完全に解消されている。

また第１段圧縮機の断熱圧縮損失が、その入口側での蒸
気の増大という形で効率よく回収され、後段装置の加熱
源として消費される。なお、第１圧縮機の軸動力はフラ
ッシュ蒸気に相当する分だけ増加するが、それ以上に断
熱圧縮損失の効果的な回収による加熱蒸気増大がはから
れているから、この利得の方が大きい。

さらに、増速機を共用すると、２段圧縮機の機械損失は
単段の圧縮機を２段直列に使用するときに比較して約２
５％低減する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の高圧縮ヒートポンプ熱回収方法とそれを
使用する装置を示すフローシートであって、第１図はプ
ラントに組込まれた装置の全体を示す概略の説明図、第
２図は第１図の破線内のヒートポンプに直接式インター
クーラを採用した要部の詳細図、第３図は間接式インタ
ークーラを採用した同様の詳細図である。 １０・・・・・・水蒸発器　　１５・・・・・・循環ポ
ンプ１６・・・・・・循環管路　　２０・・・・・・過
熱器３０・・・・・・２段ターボ圧縮機　Ｔ、・・・・
・・第１圧縮機Ｔ２・・・・・・第２圧縮機　　４０・
・・・・・減温器■１〜■５・・・・・・蒸気ライン Ｃ５〜Ｃ２・・・・・・凝縮水管路 Ａ・・・・・・トルエン蒸留塔　　Ｂ・・・・・・ベン
ゼン蒸留塔Ａｔ　　、Ｂ＋　　・・・・・・リボイラー
３１．３３・・・・・・各圧縮機入口 ３２．３４・・・・・・各圧縮機出口 ５０・・・・・・インタークーラ、直接式熱交換器６０
・・・・・・インタークーラ、間接式熱交換器５１〜５
６・・・・・・インタークーラの各部６１〜６７・・・
・・・インタークーラの各部ＳＵ・・・・・・増速機

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸発缶または蒸留塔々頂のベーパを低温側熱源と
   して水蒸発器に導入し、発生した水蒸気を２段ターボ圧
   縮機で吸引、昇圧し、昇温蒸気を加熱器の熱源として熱
   回収を計り、その蒸気の凝縮水を膨張弁を介して水蒸発
   器にリサイクルさせるとともに、上記圧縮機の第１段出
   口と第２段入口の間にインタークーラを設けて、第２段
   入口に吸引される蒸気を減温させるようにした、水を作
   動媒体とする圧縮式ヒートポンプを用いる熱回収方法に
   おいて、上記インタークーラには系内で得られる温水を
   供給し、第１圧縮機の出口圧力における飽和温度近くま
   で冷却することを特徴とする高圧縮ヒートポンプによる
   熱回収方法。
2. （２）インタークーラは直接式熱交換器であって、第２
   圧縮機の出口蒸気を加熱器に使用した後の凝縮水の一部
   を第１圧縮機の出口圧力における飽和温度に冷却・調節
   したのちに減温水として噴霧させ、昇温蒸気を減温する
   特許請求の範囲第１項に記載の熱回収方法。
3. （３）インタークーラは間接式熱交換器であって、水蒸
   発器の循環水の一部を使用して、熱交換によって昇温蒸
   気を減温する特許請求の範囲第１項に記載の熱回収方法
   。
4. （４）低温側熱源に接続される水蒸発器と、これに接続
   される２段ターボ圧縮機と、その昇温蒸気が導かれる加
   熱器とを含み、加熱器から膨張弁を介して水蒸発器に至
   る凝縮水のリサイクル回路を設けるとともに、上記２段
   圧縮機の第１段出口と第２段入口の間にインタークーラ
   を設けた、水を作動媒体とするヒートポンプ装置におい
   て、上記インタークーラには系内の温水管路が接続され
   ていることを特徴とする高圧縮ヒートポンプによる熱回
   収装置。
5. （５）インタークーラは直接式熱交換器であって、後段
   の凝縮水を冷却・調節する熱交換器を付属し、噴霧装置
   とミストセパレータを内蔵して、前記凝縮水のリサイク
   ル回路の分岐管と水蒸発器とに接続してある特許請求の
   範囲第４項に記載の熱回収装置。
6. （６）インタークーラに付属する熱交換器はさらに水蒸
   発器の循環管路および水蒸発器の液室と接続してある特
   許請求の範囲第５項に記載の熱回収装置。
7. （７）インタークーラは間接式熱交換器であって水蒸発
   器の循環管路および水蒸発器の液室と接続してある特許
   請求の範囲第４項に記載の熱回収装置。
8. （８）２段ターボ圧縮機は２つの圧縮機を共軸に連結す
   るとともに、それらの増速機を共用としてある特許請求
   の範囲第４項に記載の熱回収装置。