KR20010043354A - 증류장치 및 증류방법 - Google Patents

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KR20010043354A
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오자와 미토시
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Abstract

증류장치의 계장품(計裝品)을 적게 하여 제어를 간소화하는 것을 목적으로 한다. 탑 본체와, 이 탑 본체 내를 분할하여 서로 인접하는 제1챔버(14A∼16A) 및 제2챔버(14B∼16B)를 형성하는 칸막이(22∼24)와, 상기 탑 본체 내에 원액(M)을 공급하는 피드 노즐(41)과, 위쪽에 농축부(AR1)를, 아래쪽에 회수부(AR2)를 구비한 제1증류부(25)와, 위쪽에 농축부(AR3)를, 아래쪽에 회수부(AR4)를 구비한 제2증류부(26)와, 위쪽에 농축부(AR5)를, 아래쪽에 회수부(AR6)를 구비한 제3증류부(27)와, 제1성분을 배출하는 제1배출수단과, 상기 제2성분을 배출하는 제2배출수단과, 상기 제3성분을 배출하는 제3배출수단을 가진다. 상기 칸막이(22∼24)는 편심되어, 제1챔버(14A∼16A)의 단면적과 및 제2챔버(14B∼16B)의 단면적이 다르다. 상기 제1챔버(14A∼16A) 및 제2챔버(14B∼16B)에 있어서 발생하는 압력손실이 동등하게 되므로, 상승하는 증기(蒸氣)에 대하여 하강하는 액체의 영향이 미치지 않는다.

Description

증류장치 및 증류방법{Distillation Apparatus And Distillation Method}
종래 여러 개의 증류탑을 조합하여, 여러 개의 성분을 함유하는 원액으로부터 각 성분을 증류에 의해 분리시켜 제품을 얻도록 한 증류장치에 있어서, 상기 각 증류탑을 따로 따로 건설하면 점유면적이 커지게 된다. 또, 측탑(側塔)방식의 증류장치에 있어서는, 각 증류탑 내의 압력을 조정하기 위해 각 증류탑 사이의 증기의 분배를 제어할 필요가 있으므로, 각 증류탑을 안정시켜 운전하는 것이 불가능하다.
그래서, 외통(外筒) 내에 내통(內筒)을 설치하고, 이 내통 내에 원액을 공급하여 증류하도록 한 페트류크식 증류탑을 구비한 증류장치가 제공되고 있다.
그런데, 이 경우 내통을 외통에 대해 지지하거나, 외통을 관통시켜 라인을 설치하거나, 내통에 피드 노즐을 장착하는 것이 곤란하고, 증류장치의 코스트가 높아진다. 또, 라인과 외통과의 사이 및 피드 노즐과 내통과의 사이를 충분히 밀봉할 수 없으므로, 상기 증류탑에 있어서의 증류의 효과가 낮아진다. 그리고, 내통과 외통이 동심적으로 설치되며, 회수부 및 농축부가 고리형 체구조로 되어 있으므로, 상기 회수부 및 농축부에 설치되는 트레이를 제조하는 것이 곤란해진다.
그래서, 내부를 평판(平板)형 칸막이에 의해 구획한 증류장치가 제공되고 있다(미국특허 제4230533호 명세서 참조).
이 증류장치는 입구관을 통하여 원액이 공급되고, 상기 입구관보다 위쪽에 형성된 농축부 및 상기 입구관보다 아래쪽에 형성된 회수부를 구비한 제1증류부와, 이 제1증류부의 상단에 접속되고, 이 상단보다 위쪽에 형성된 농축부 및 상기 상단보다 아래쪽에 형성되며, 또한 상기 제1증류부의 농축부와 칸막이를 사이에 두고 인접하는 회수부를 구비한 제2증류부와, 상기 제1증류부의 하단에 접속되고, 이 하단보다 위쪽에 형성되며, 또한 상기 제1증류부의 회수부와 칸막이를 사이에 두고 인접하는 농축부 및 상기 하단보다 아래쪽에 형성된 회수부를 구비한 제3증류부를 갖춘다.
이 경우 증류장치의 코스트를 낮출 수 있고, 증류의 효과를 높일 수 있으며, 트레이를 용이하게 제조할 수 있다.
하지만, 상기 종래의 증류장치에 있어서는, 위쪽에서 하강한 액체를 제1증류부의 농축부 및 제2증류부의 회수부에 적절하게 분배하기 위해, 제2증류부의 농축부에서 제1증류부의 농축부로 공급되는 액체의 유량을 분석기(Analyzer), 유량콘트롤러 및 유량제어밸브에 의하여 조정할 필요가 있을 뿐 아니라, 제2증류부의 농축부에서 제2증류부의 회수부로 공급되는 액체의 유량을 레벨센서, 유량콘트롤러 및 유량제어밸브에 의하여 조정할 필요가 있다.
또, 위쪽에서 하강한 액체를 제1증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부에 적절하게 분배하기 위해, 제1증류부에 공급된 원액의 유량을 유량콘트롤러 및 유량제어밸브에 의해서 조정할 필요가 있을 뿐 아니라, 제1, 제2증류부 사이에서 배출되는 제품의 양을 레벨센서, 유량콘트롤러 및 유량제어밸브에 의하여 조정할 필요가 있다.
그리고, 아래쪽에서부터 상승한 증기를 제1증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부에 적절하게 분배하기 위해, 제3증류부의 회수부에서 제1증류부의 회수부로 공급되는 증기의 유량을 분석기 및 유량제어밸브에 의해서 조정할 필요가 있을 뿐 아니라, 제3증류부의 회수부에서 제3증류부의 농축부로 공급되는 증기의 유량을 분석기 및 유량제어밸브에 의해 조정할 필요가 있다.
이와 같이, 액체 및 증기를 적절하게 분배하기 위해, 분석기, 유량콘트롤러, 유량제어밸브, 레벨센서 등의 계장품(計裝品)을 설치할 필요가 있을 뿐 아니라, 각 계장품을 조작하여 복잡한 제어를 할 필요가 있으므로, 증류장치가 대형화될 뿐 아니라, 증류장치의 코스트가 높아진다.
본 발명은 상기 종래의 증류장치의 문제점을 해결하여, 계장품을 줄일 수 있고, 제어를 간소화하고 소형화할 수 있으며, 코스트를 낮출 수 있는 증류장치 및 증류방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 증류장치 및 증류방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 개념도, 도 2는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 증류장치의 개념도, 도 3은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제3섹션의 디스트리뷰터의 설명도, 도 4는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제3섹션의 디스트리뷰터의 평면도, 도 5는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제3섹션의 디스트리뷰터의 측면도, 도 6은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제3섹션의 디스트리뷰터의 제1요부상세도, 도 7은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제3섹션의 디스트리뷰터의 제2요부상세도, 도 8은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제5섹션의 디스트리뷰터의 요부평면도, 도 9는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 스탠드 파이프와 메인 헤더의 연결상태를 나타낸 도면, 도 10은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 압력손실의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면, 도 11은 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 특성을 나타낸 도면, 도 12는 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 충전물의 특성을 나타낸 도면, 도 13은 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 특성을 나타낸 도면, 도 14는 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 충전물의 특성을 나타낸 도면, 도 15는 본 발명의 제4실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 특성을 나타낸 도면, 도 16은 본 발명의 제4실시형태에 있어서의 충전물의 특성을 나타낸 도면, 도 17은 본 발명의 제5실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부개념도, 도 18은 본 발명의 제5실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부단면도, 도 19는 본 발명의 제6실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부개념도, 도 20은 본 발명의 제6실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부단면도, 도 21은 본 발명의 제7실시형태에 있어서의 디스트리뷰터의 설명도, 도 22는 본 발명의 제7실시형태에 있어서의 디스트리뷰터의 요부평면도, 도 23은 본 발명의 제7실시형태에 있어서의 스탠드 파이프와 메인 헤더의 연결상태를 나타낸 도면, 도 24는 본 발명의 제7실시형태에 있어서의 메인 헤더와 암 튜브(arm tube)의 연결상태를 나타낸 도면, 도 25는 본 발명의 제8실시형태에 있어서의 스탠드 파이프의 설명도, 도 26은 본 발명의 제9실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부개략도, 도 27은 본 발명의 제10실시형태에 있어서의 디스트리뷰터의 개략도, 도 28은 본 발명의 제11실시형태에 있어서의 디스트리뷰터의 개략도, 도 29는 본 발명의 제12실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부개략도, 도 30은 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 개념도, 도 31은 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 컬렉터의 요부단면도, 도 32는 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 컬렉터의 평면도, 도 33은 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 컬렉터 박스의 평면도, 도 34는 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 컬렉터 박스의 단면도, 도 35는 본 발명의 제14실시형태에 있어서의 컬렉터의 장착상태도, 도 36은 본 발명의 제14실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부단면도, 도 37은 본 발명의 제14실시형태에 있어서의 컬렉터의 평면도, 도 38은 본 발명의 제14실시형태에 있어서의 컬렉터의 단면도, 도 39는 본 발명의 제14실시형태에 있어서의 개스킷을 나타낸 도면이다.
이를 위하여 본 발명의 증류장치에 있어서는, 탑 본체와, 상기 탑 본체 내부를 분할하여 상호 인접하는 제1챔버 및 제2챔버를 형성하는 칸막이와, 상기 탑 본체 내부에 적어도 제1∼제3성분을 함유하는 원액을 공급하는 피드 노즐과, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제1증류부와, 적어도 일부가 상기 탑 본체의 탑정(塔頂)과 인접하여 설치되고, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제2증류부와, 적어도 일부가 상기 탑 본체의 저면과 인접하여 설치되고, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제3증류부와, 상기 제1성분을 배출하는 제1배출수단과, 상기 제2성분을 배출하는 제2배출수단과, 상기 제3성분을 배출하는 제3배출수단을 갖춘다.
그리고, 상기 칸막이는 편심(偏心)하여 있어 제1챔버의 단면적과 제2챔버의 단면적이 다르다.
이 경우, 제1챔버의 단면적과 제2챔버의 단면적을 다르게 함에 의해, 상기 제1챔버에 있어서 발생하는 압력손실과 상기 제2챔버에 있어서 발생하는 압력손실을 동일하게 할 수 있으므로, 상승하는 증기에 대해 하강하는 액체의 영향이 미치지 않게 할 수 있다. 따라서, 증기는 균등하게 분배되어 상승한다.
그리고, 증기를 분배하기 위해서 분석기, 유량콘트롤러, 유량제어밸브, 레벨센서 등의 여러 개의 계장품을 설치할 필요가 없을 뿐 아니라, 각 계장품을 조작하여 복잡한 제어를 할 필요가 없다. 따라서, 증류장치를 소형화할 수 있을 뿐 아니라, 증류장치의 코스트를 낮출 수 있다.
또, 탑 본체 내의 액체의 하강 및 증기의 상승을 원활화할 수 있으므로, 각 충전물에 있어서 채널링(channeling)(액체부족)현상이 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 맬디스트리뷰션(maldistribution)(불균일한 액체의 분산)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 증류장치에 있어서는, 또한 상기 제1증류부는 상기 탑 본체의 중앙에 설치된다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 상기 피드 노즐은 제1증류부 내에 원액을 공급한다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 적어도 상기 제1증류부에 있어서의 농축부 및 회수부에 각각 충전물(充塡物)이 독립되어 설치된다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 상기 제2증류부는 상기 제1증류부의 상단에 접속되고, 이 상단보다 위쪽에 형성된 농축부 및 상기 상단보다 아래쪽에 형성되며 또한 칸막이를 사이에 두고 상기 제1증류부의 농축부와 인접하는 회수부를 구비한다.
그리고, 상기 제3증류부는 상기 제1증류부의 하단에 접속되고, 이 하단보다 위쪽에 형성되며 또한 칸막이를 사이에 두고 상기 제1증류부의 회수부와 인접하는 농축부 및 상기 하단보다 아래쪽에 형성되는 회수부를 구비한다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 상기 피드 노즐은 상기 제1증류부에 있어서의 농축부와 회수부와의 사이에 설치된다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 상기 각 충전물은 상호 종류가 동일하다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 상기 각 충전물은 상호 종류가 다르다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 탑 본체와, 이 탑 본체 내를 분할하여 상호 인접하는 제1챔버 및 제2챔버를 형성하는 칸막이와, 상기 탑 본체 내에 적어도 제1∼ 제3성분을 함유하는 원액을 제공하는 피드 노즐과, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제1증류부와, 적어도 일부가 상기 탑 본체의 탑정과 인접하여 설치되고, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제2증류부와, 적어도 일부가 상기 탑 본체의 저면과 인접하여 설치되고, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제3증류부와, 상기 제1성분을 배출하는 제1배출수단과, 상기 제2성분을 배출하는 제2배출수단과, 상기 제3성분을 배출하는 제3배출수단을 갖춘다.
그리고, 상기 제2증류부의 농축부에서부터 하강하는 액체는, 상기 제1증류부의 농축부 및 제2증류부의 회수부에 증류조건에 근거하여 미리 설정된 분배비율로 분배되고, 상기 제1증류부에 있어서 발생하는 압력손실과 상기 제2증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부에 있어서 발생하는 압력손실이 동일해진다.
이 경우, 상기 제1증류부에 있어서 발생하는 압력손실과 상기 제2증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부에 있어서 발생하는 압력손실이 동일해 지므로, 상승하는 증기에 대해 하강하는 액체의 영향이 미치지 않는다. 따라서, 증기는 균등하게 배분되어 상승한다.
그리고, 증기를 배분하기 위해 분석기, 유량콘트롤러, 유량제어밸브, 레벨센서 등의 여러 개의 계장품을 설치할 필요가 없을 뿐 아니라, 각 계장품을 조작하여 복잡한 제어를 할 필요가 없다. 따라서 증류장치를 소형화할 수 있을 뿐 아니라, 증류장치의 코스트를 낮출 수 있다.
또, 탑 본체 내의 액체의 하강 및 증기의 상승을 원활화할 수 있으므로, 각 충전물에 있어서 채널링현상이 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 맬디스트리뷰션이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 적어도 상기 제1증류부, 상기 제2증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부에 있어서의 F팩터는, 강하액(降下液) 양에 의한 영향을 받지 않는 압력손실을 얻을 수 있는 값으로 설정된다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 적어도 상기 제1증류부, 상기 제2증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부에 있어서의 F팩터는 1.0∼1.5이다.
이 경우, F팩터가 1.0∼1.5이므로, 강하액 양이 변화해도 압력손실이 거의 변화하지 않는다. 따라서, 상기 제1증류부에 있어서 발생하는 압력손실과, 상기 제2증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부에 있어서 발생하는 압력손실이 동일해 진다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 상기 각 압력손실은 이론단수(NTP:Number of Theoretical plates;理論段數), 단위높이당 평형이론단수 및 단위높이당 압력손실에 근거하여 산출된다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 상기 제1증류부의 단면적과 상기 제2증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부의 단면적과의 비율이 상승증기량에 대응하여 설정된다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 탑 본체와, 이 탑 본체 내를 분할하여 상호 인접하는 여러 개의 챔버를 형성하는 칸막이와, 상기 탑 본체 내에 설치되어 위쪽으로부터 하강하는 액체를 모으는 컬렉터와, 이 컬렉터에 의해 모아진 액체를 상기 각 챔버로 상호 다른 양씩 분배하는 채널형 디스트리뷰터(Distributor)를 갖춘다.
이 경우, 위쪽에서부터 하강하는 액체는 컬렉터에 의해 모아지고, 디스트리뷰터에 의하여 각 챔버에 상호 다른 양 씩 분배된다.
따라서, 증류조건에 대응시켜 최적 상태로 증류를 할 수 있으므로, 증류장치에 있어서 소비에너지를 줄일 수 있다. 게다가 복잡한 계장제어 시스템을 사용할 필요가 없으므로 증류장치를 소형화할 수 있을 뿐 아니라, 증류장치의 코스트를 낮출 수 있다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 탑 본체와, 이 탑 본체 내를 분할하여 상호 인접하는 여러 개의 챔버를 형성하는 칸막이와, 상기 탑 본체 내에 설치되어 위쪽으로부터 하강하는 액체를 모으는 컬렉터와, 이 컬렉터에 의하여 모아진 액체를 상기 각 챔버로 상호 다른 양 씩 분배하는 개방정압(開放靜壓) 튜뷸러(tubular)형 디스트리뷰터를 갖춘다.
이 경우 위쪽에서부터 하강하는 액체는 컬렉터에 의해 모아지고, 디스트리뷰터에 의해 각 챔버로 상호 다른 양 씩 분배된다.
따라서, 증류조건에 대응시켜 최적 상태로 증류를 할 수 있으므로, 증류장치에 있어서 소비에너지를 줄일 수 있다. 게다가, 복잡한 계장제어 시스템을 사용할 필요가 없으므로, 증류장치를 소형화할 수 있을 뿐 아니라, 증류장치의 코스트를 낮출 수 있다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 탑 본체와, 이 탑 본체 내를 분할하여 상호 인접하는 여러 개의 챔버를 형성하는 칸막이와, 상기 탑 본체 내에 설치되어 위쪽의 하나의 챔버로부터 하강하는 액체를 모으는 컬렉터와, 이 컬렉터에 의해 모아진 액체를 아래쪽의 하나의 챔버로 분배하는 개방정압 튜뷸러형 디스트리뷰터를 갖춘다.
그리고, 이 디스트리뷰터는, 컬렉터로부터 배출된 액체를 모으고 소정의 수두(水頭;water head)를 형성하는 개방정압형 스탠드 파이프(stand pipe), 액체를 칸막이에 대해 직각의 방향으로 분배하는 제1분배부 및 이 제1분배부와 연결하여 설치되고 제1분배부에 의해 분배된 액체를 칸막이와 같은 방향으로 분배하는 제2분배부를 구비한다.
또, 상기 제1분배부는, 상기 챔버의 중앙으로부터 칸막이 측으로 편심시킨 위치에 있어서 상기 스탠드 파이프의 하단과 연결된다.
이 경우, 위쪽의 하나의 챔버로부터 하강하는 액체는 컬렉터에 의해 모아지고, 디스트리뷰터에 의해 아래쪽의 하나의 챔버로 분배된다. 그리고, 상기 제1분배부는 상기 챔버의 중앙으로부터 칸막이 측으로 편심시킨 위치에 있어서 상기 스탠드 파이프의 하단과 연결되므로, 제1분배부 내에 있어서 유로저항에 수반하여 발생하는 압력손실을 각 제2분배부마다 균일하게 할 수 있다.
따라서, 상기 액체를 챔버 전체에 균일하게 분배할 수 있다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 탑 본체와, 이 탑 본체 내를 분할하여 상호 인접하는 여러 개의 챔버를 형성하는 칸막이와, 상기 탑 본체 및 칸막이의 내주를 따라 집액구(集液溝)를 형성하는 컬렉터 박스(collector box)와, 이 컬렉터 박스 위에 소정의 피치(Pitch)로 상호 평행하게 여러 개 설치된 컬렉터 래미나(collector lamina)를 갖춘다.
그리고, 이 각 컬렉터 래미나는 경사부 및 홈부를 구비하고, 각 홈부의 한쪽 끝은 상기 집액구의 탑 본체측 부분을, 다른쪽 끝은 상기 집액구의 칸막이측 부분에 놓인다.
이 경우 위쪽 챔버로부터 하강하는 액체는 각 컬렉터 래미나에 접한 후, 경사부를 따라 흘러 홈부에 의해 받아들여지고, 수평방향으로 이동하여 상기 집액구로 보내진다.
따라서, 이 집액구 내에 있어서 액체에 원액을 혼입시킬 수 있으므로, 액체의 흐름에 치우침이 발생하지 않는다. 그 결과, 위쪽 및 아래쪽 챔버에 있어서 액체와 증기를 충분히 접촉시킬 수 있다.
그리고, 제품을 꺼내기 위해 탑 본체 내에 컬렉터 박스를 크게 돌출시킬 필요가 없으므로, 증기의 흐름에 치우침이 발생하지 않으며, 위쪽 및 아래쪽 챔버에 있어서 액체와 증기를 충분히 접촉시킬 수 있다.
또, 아래쪽 챔버로부터 상승한 증기는 상기 각 컬렉터 래미나 사이의 틈새를 통하여, 경사부를 따라 중앙에서 떨어진 측으로 치우쳐져 상승한다. 이때 상기 증기는 경사부를 따라서 원활하게 상승하므로, 압력손실은 거의 무시할 수 있을 만큼 작아진다. 따라서, 증기의 흐름에 치우침이 발생하지 않으므로 위쪽 및 아래쪽 챔버에 있어서 액체와 증기를 충분히 접촉시킬 수 있다.
본 발명 또 다른 증류장치에 있어서는, 탑 본체와, 이 탑 본체 내를 분할하여 상호 인접하는 여러 개의 챔버를 형성하는 칸막이와, 상기 탑 본체 및 칸막이의 내주를 따라 집액구를 형성하는 컬렉터 박스와, 이 컬렉터 박스 위에 소정의 피치로 상호 평행하게 여러 개 설치된 컬렉터 래미나를 갖춘다.
그리고, 상기 컬렉터 박스 및 컬렉터 래미나는 미리 조립되고, 상기 컬렉터 박스와 상기 탑 본체 및 칸막이는 걸어 고정(係止)한다.
이 경우, 원액은 집액구 내에 있어서 액체에 혼입되므로, 액체의 흐름에 치우침이 발생하지 않는다. 따라서, 위쪽 및 아래쪽 챔버에 있어서 액체와 증기를 충분히 접촉시킬 수 있다.
또, 제품을 꺼내기 위하여 탑 본체 내에 컬렉터 박스를 크게 돌출시킬 필요가 없으므로, 증기의 흐름에 치우침이 발생하지 않는다. 따라서, 위쪽 및 아래쪽 챔버에 있어서 액체와 증기를 충분히 접촉시킬 수 있다.
그리고, 아래쪽 챔버로부터 상승한 증기는 상기 각 컬렉터 래미나 사이의 틈새를 통하여 경사부를 따라 원활하게 상승하므로, 압력손실은 거의 무시할 수 있을 정도로 작아진다. 따라서, 증기의 흐름에 치우침이 발생하지 않으므로, 위쪽 및 아래쪽 챔버에 있어서 액체와 증기를 충분히 접촉시킬 수 있다.
또한, 상기 컬렉터 박스 및 컬렉터 래미나는 미리 조립되므로, 컬렉터를 용이하게 탑 본체에 장치할 수 있다. 따라서, 컬렉터를 증류탑 내에 있어서 조립할 필요가 없으므로 작업을 간소화할 수 있다.
본 발명의 또 다른 증류장치에 있어서는, 또한 상기 컬렉터 박스의 상단은 상기 탑 본체 및 칸막이와 걸어서 고정하고, 상기 탑 본체의 플랜지와 칸막이는 탑 본체 및 칸막이에 대응하는 형상을 갖춘 개스킷(gasket)에 의해 밀봉된다.
본 발명의 증류방법에 있어서는, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제1증류부, 적어도 일부가 탑정과 인접하여 설치되고, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제2증류부, 적어도 일부가 탑 저면과 인접하여 설치되고, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제3증류부, 및 제1챔버의 단면적과 제2챔버의 단면적을 다르게 하기 위해 편심시켜 설치한 칸막이를 구비하는 탑 본체 내에, 적어도 제1∼제3성분을 함유하는 원액을 공급하여, 상기 제2증류부의 상단에 접속된 응축기에 의해 소정 성분의 증기를 응축시키고, 상기 제3증류부 하단에 접속된 증발기에 의해 소정 성분의 액체를 증발시켜서, 상기 제2증류부의 상단에 있어서 제1성분이 풍부한 액체를, 상기 제3증류부의 하단에 있어서 제3성분이 풍부한 액체를, 상기 칸막이가 설치된 부분에 있어서 제2성분이 풍부한 액체를 얻는다.
본 발명의 다른 증류방법에 있어서는, 또한 상기 제1성분은 제2성분보다, 상기 제2성분은 제3성분보다 비등점이 낮다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 개념도, 도 2는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 증류장치의 개념도이다.
도면에 있어서, 10은 결합형 증류탑인데, 이 결합형 증류탑(10)은 제1섹션(11), 제2섹션(12), 제3섹션(13), 제4섹션(14), 제5섹션(15), 제6섹션(16), 제7섹션(17), 제8섹션(18) 및 제9섹션(19)으로 구성된다.
그리고, 상기 결합형 증류탑(10)의 외벽으로서의 탑 본체는, 상기 제4섹션(14), 제5섹션(15) 및 제6섹션(16)에 있어서, 각각 평판형의 칸막이(22∼24)에 의해 제1챔버(14A∼16A)와 제2챔버(14B∼16B)로 구분되며, 제1챔버(14A∼16A)와 제2챔버(14B∼16B)는 상호 인접한다. 또, 상기 제1챔버(14A∼16A)에 의해 제1증류부(25)가, 상기 제1섹션(11), 제2섹션(12), 제3섹션(13) 및 제2챔버(14B)에 의해 제2증류부(26)가, 상기 제2챔버(15B, 16B), 제7섹션(17), 제8섹션(18) 및 제9섹션(19)에 의해 제3증류부(27)가 각각 형성된다.
또한, 상기 칸막이(22∼24)를 단열재에 의해 형성하거나, 칸막이(22∼24)의 내부를 진공으로 하거나 하여, 칸막이(22∼24)를 단열구조로 하는 것도 가능하다. 이 경우, 제1챔버(14A)와 제2챔버(14B) 사이, 제1챔버(15A)와 제2챔버(15B) 사이 및 제1챔버(16A)와 제2챔버(16B) 사이의 열전달을 각각 줄일 수 있으므로 증류효과를 높일 수 있다.
그리고, 결합형 증류탑(10)의 거의 중앙에 상기 제5섹션(15)이 설치되고, 제1챔버(15A)에 피드 노즐(41)이, 제2챔버(15B)에 사이드 컷 노즐(42)이 각각 형성된다. 또, 결합형 증류탑(10)의 탑정에 상기 제1섹션(11)이 설치되고, 이 제1섹션(11)에 응축기(31)를 접속시켜 증기출구(43) 및 환류액입구(44)가 형성된다. 또한, 결합형 증류탑(10)의 탑 저면에 제9섹션(19)이 설치되고, 이 제9섹션(19)에 증발기(32)를 접속시켜 관출액(缶出液;bottom product)출구(45) 및 증기입구(46)가 형성된다. 또한, 상기 증기출구(43)에 의해 제1배출수단이, 사이드 컷 노즐(42)에 의해 제2배출수단이, 관출액출구(45)에 의해 제3배출수단이 각각 구성된다.
상기 구성의 결합형 증류탑(10)에 있어서, 주로 성분 A∼C를 함유하는 혼합물이 원액(M)으로서 상기 피드 노즐(41)에 공급된다. 또한 성분 A는 성분 B보다, 이 성분 B는 성분 C보다 비등점이 낮다. 그리고, 성분 A∼C에 의해 제1∼제3성분이 구성되고, 상기 결합형 증류탑(10), 상기 응축기(31), 증발기(32)에 의해 증류장치가 구성된다.
또, 상기 제1증류부(25) 내에 있어서 상기 피드 노즐(41)보다 위쪽에 설치된 제1챔버(14A)에 의해 농축부(AR1)가, 피드 노즐(41)보다 아래쪽에 설치된 제1챔버(16A)에 의해 회수부(AR2)가 각각 형성된다. 그리고, 상기 제2증류부(26) 내에 있어서 상기 제1증류부(25)의 상단에 접속되고, 이 상단보다 위쪽에 설치된 제2섹션(12)에 의해 농축부(AR3)가, 상기 제1증류부(25)의 상단보다 아래쪽에 있어서 상기 농축부(AR1)와 인접하여 설치된 제2챔버(14B)에 의해 회수부(AR4)가 각각 형성된다. 또한, 상기 제3증류부(27) 내에 있어서 상기 제1증류부(25)의 하단에 접속되고, 이 하단보다 위쪽에 있어서 상기 회수부(AR2)와 인접하여 설치된 제2챔버(16B)에 의해 농축부(AR5)가, 상기 제1증류부(25)의 하단보다 아래쪽에 설치된 제8섹션(18)에 의해 회수부(AR6)가 각각 형성된다.
이렇게 하여, 제1증류부(25)의 상단이 제2증류부(26)의 거의 중앙에, 제1증류부(25)의 하단이 제3증류부(27)의 거의 중앙에 각각 접속된다.
그리고, 상기 구성의 증류장치에 의한 증류방법에 있어서, 피드 노즐(41)로부터 공급된 원액(M)이 상기 회수부(AR2)를 하강하고, 그 사이에 위쪽으로 감에 따라 성분 A 및 B가 많은 증기가, 아래쪽으로 감에 따라 성분 B 및 C가 풍부한 액체가 발생하고, 제1증류부(25)의 하단에서부터 제3증류부(27)로 성분 B 및 C가 풍부한 액체가 공급된다.
또한, 이 성분 B 및 C가 풍부한 액체는, 제3증류부(27) 내에 있어서 가열되고 증발하여 성분 B 및 C가 풍부한 증기가 되고, 상기 회수부(AR2) 내를 상승하는 동안 원액(M)과 접촉하여 원액(M)으로부터 성분 A 및 B가 풍부한 증기를 발생시킨다.
계속하여, 상기 성분 A 및 B가 풍부한 증기는 농축부(AR1) 내를 상승하여, 상기 제1증류부(25)의 상단에서 제2증류부(26)로 공급된다. 또한 상기 성분 A 및 B가 풍부한 증기는 제2증류부(26) 내에 있어서 냉각되고 응축되어, 성분 A 및 B가 풍부한 액체가 된다.
그리고, 이 성분 A 및 B가 풍부한 액체의 일부는 농축부(AR1)로 환류되어, 이 농축부(AR1) 내를 상승하는 성분 A 및 B가 풍부한 증기와 접촉한다.
이렇게 하여, 제1증류부(25)의 상단으로부터 제2증류부(26)로 성분 A 및 B가 풍부한 증기를 공급할 수 있다.
상기 회수부(AR6)에 있어서는 성분 B 및 C가 풍부한 액체가 하강하고, 위쪽에 있어서 성분 B가 풍부한 증기를, 아래쪽으로 감에 따라 성분 C가 풍부한 액체를 각각 발생시킨다. 따라서, 성분 C가 풍부한 액체는 관출액으로서 관출액출구(45)로부터 배출된다.
또, 상기 관출액출구(45)로부터 배출된 성분 C가 풍부한 액체의 일부는 증발기(32)로 보내지고, 이 증발기(32)에 의해 가열되고 증발하여 성분 C가 풍부한 증기가 된다. 이 성분 C가 풍부한 증기는 증기입구(46)에서 제9섹션(19)으로 공급되고, 이 제9섹션(19) 내 및 상기 회수부(AR6) 내를 상승하는 사이에 성분 B 및 C가 풍부한 액체와 접촉하여, 이 성분 B 및 C가 풍부한 액체로부터 성분 B가 풍부한 증기를 발생시킨다.
계속하여, 이 성분 B가 풍부한 증기의 일부는 농축부(AR5) 내를 상승하고, 제3증류부(27) 상단에 있어서 제2증류부(26)의 성분 B가 풍부한 액체와 접촉하여, 성분 B가 풍부한 액체가 된다. 이렇게 하여, 상기 제3증류부(27)의 상단에 있어서 얻어진 성분 B가 풍부한 액체는 사이드컷액, 즉, 제품으로서 사이드 컷 노즐(42)로부터 배출된다.
한편, 상기 제2증류부(26)의 회수부(AR4)에 있어서는 성분 A 및 B가 풍부한 액체가 하강하여, 위쪽에 있어서 성분 A가 풍부한 증기를, 아래쪽으로 갈수록 성분 B가 풍부한 액체를 각각 발생시킨다. 이렇게 해서, 상기 제2증류부(26)의 하단에 있어서 얻어진 성분 B가 풍부한 액체는, 제품으로서 사이드 컷 노즐(42)로부터 배출된다.
계속하여, 상기 성분 A가 풍부한 증기는 농축부(AR3) 내를 상승하여 상기 증기출구(43)로부터 배출되어 상기 응축부(31)로 보내지고, 이 응축기(31)에 의해 응축되어 성분 A가 풍부한 액체가 된다.
이렇게 해서, 성분 A 및 B가 풍부한 증기는 상기 제2증류부(26)에 의해 성분 A가 풍부한 증기와 성분 B가 풍부한 액체로 분리되고, 성분 A가 풍부한 증기는 탑정으로부터 배출되고 상기 응축기(31)에 의해 응축되어 성분 A가 풍부한 액체가 되며, 성분B가 풍부한 액체는 제품으로서 사이드 컷 노즐(42)로부터 배출된다. 또, 성분 B 및 C가 풍부한 액체는 상기 제3증류부(27)에 의해 성분 B가 풍부한 액체와 성분 C가 풍부한 액체로 분리되고, 성분 B가 풍부한 액체는 제품으로서 사이드 컷 노즐(42)로부터 배출되며, 성분 C가 풍부한 액체는 탑 저면으로부터 배출된다.
그리고, 성분 A의 증류효율을 높이기 위해, 상기 성분 A가 풍부한 액체는 환류액입구(44)로부터 농축부(AR3)로 환류되어, 이 농축부(AR3) 내를 상승하는 성분 A 및 B가 풍부한 증기와 접촉한다.
또한, 상기 각 농축부(AR1, AR3, AR5) 및 각 회수부(AR2, AR4, AR6)는 하나의 절(節)로 이루어지는 충전물에 의해 형성되어 있는데, 증류하려고 하는 각 성분간의 비휘발도(比揮發度)에 따라, 증류에 필요한 이론단수를 확보하기 위해 사용되는 충전물의 특성에 대응시켜, 여러 개의 절로 이루어지는 충전물에 의해 형성할 수도 있다. 또, 각 절 사이에 디스트리뷰터를 설치할 수도 있다. 또한 피드 노즐(41) 및 사이드 컷 노즐(42)을 반드시 같은 높이로 설치할 필요는 없다.
이렇게 해서, 여러 개의 증류탑을 사용하지 않고, 원액(M)을 각 성분 A∼C로 분리시킬 수 있다.
또, 여러 개의 증류탑에 있어서 가열 및 냉각을 각각 반복할 필요가 없으므로, 응축기, 증발기, 펌프 등의 계장품을 여러 개 설치할 필요가 없어진다. 따라서, 점유면적을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 유틸리티의 사용량 및 소비에너지를 줄일 수 있으며, 증류장치의 코스트를 낮출 수 있다.
또한, 상기 결합형 증류탑(10)은 전체로서 약 30∼100단의 이론단수를 갖으며, 제4섹션(14) 및 제6섹션(16)에 각각 5∼30단 정도를 할당하도록 하는 것이 바람직하다.
그런데, 제3섹션(13)에 컬렉터(54) 및 채널형 디스트리뷰터(61)가 설치되고, 상기 컬렉터(54)에 의해 모아진 액체는 디스트리뷰터(61)에 의해 소정의 분배비율로 제4섹션(14)의 제1챔버(14A)와 제2챔버(14B)에 다른 양씩 분배된다.
또, 제5섹션(15)의 제1챔버(15A)에 있어서의 피드 노즐(41)의 바로 위에 컬렉터(62)가, 바로 밑에 튜뷸러형 디스트리뷰터(63)가 설치되고, 상기 컬렉터(62)에 의해 모아진 액체는 상기 피드 노즐(41)을 통해 공급된 원액(M)과 함께, 디스트리뷰터(63)에 의해 제6섹션(16)의 제1챔버(16A)로 공급된다.
한편, 제5섹션(15)의 제2챔버(15B)에 있어서의 사이드 컷 노즐(42)의 바로 위에 침니 햇(chimney hat)형의 컬렉터(65)가, 바로 밑에 튜뷸러형 디스트리뷰터(66)가 설치되고, 상기 컬렉터(65)에 의해 모아진 액체는 제품으로서 상기 사이드 컷 노즐(42)로부터 배출됨과 동시에, 디스트리뷰터(66)에 의해 제6섹션(16)의 제2챔버(16B)로 공급된다.
또한, 제7섹션(17)에는 컬렉터(67) 및 튜뷸러형 디스트리뷰터(68)가 설치되고, 제6섹션(16)으로부터 하강한 액체는 상기 컬렉터(67)에 의해 모아진 후, 디스트리뷰터(68)에 의해 상기 제8섹션(18)에 공급된다.
그런데, 본 실시형태에 있어서는 위쪽, 즉 제2섹션(12)에서 제3섹션(13)으로 하강한 액체를, 제4섹션(14)의 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B)로 분배하게 되어 있는데, 분배비율은 원액(M)의 각 성분 A∼C의 종류, 원액(M)의 각 성분 A∼C의 조성, 결합형 증류탑(10)의 이론단수, 제품에 요구되는 순도(품질) 등의 증류조건에 근거하여 미리 설정된다.
그래서, 상기 디스트리뷰터(61)는 액체를 칸막이(22)에 대해 직각 방향으로 분배하는 도시되지 않은 분배부를 구비하고, 이 분배부에 의해 상기 제1챔버(14A)의 위쪽(이하 「제1챔버 상부(上部)」라고 한다.)에 공급되는 액체의 양과, 상기 제2챔버(14B)의 위쪽(이하 「제2챔버 상부(上部)」라고 한다.)에 공급되는 액체의 양을 다르게 하도록 되어 있다.
또한, 상기 제품이 사이드 컷 노즐(42)로부터 배출되므로, 제1챔버 상부에 공급되는 액체의 양보다 제2챔버 상부에 공급되는 액체의 양이 많아진다.
또, 증류장치에 있어서 두 종류 이상의 제품을 얻기 위해 증류조건을 변경하는 경우에는, 증류조건에 대응시켜 상기 분배비율을 변경할 필요가 있다. 그래서, 상기 분배부를 여러 개 설치하고, 각 분배부 마다 상기 분배비율을 다르게 하도록 하고 있다. 그래서, 상기 제2섹션(12)로부터 하강한 액체는 컬렉터(54)에 의해 모아지고, 절환밸브(33, 34)를 통해 선택적으로 디스트리뷰터(61)로 공급된다. 예를 들면, 순도가 99.98[중량%]의 제품을 얻는 경우 분배비율은 4:6이 되고, 순도가 99.999[중량%]의 제품을 얻는 경우 분배비율은 2:8이 된다. 또, 부하율은 50∼100[%]로 변경된다.
이와 같이 분배부를 설치하는 것만으로 최적의 분배비율로 액체를 분배할 수 있으므로, 액체를 분배하기 위한 분석기, 유량콘트롤러, 유량제어밸브, 레벨센서 등의 여러 개의 계장품을 설치할 필요가 없을 뿐 아니라, 각 계장품을 조작하여 복잡한 제어를 할 필요가 없다. 따라서, 증류장치를 소형화할 수 있을 뿐 아니라, 증류장치의 코스트를 낮출 수 있다.
계속하여 상기 제3섹션(13)의 디스트리뷰터(61)에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제3섹션의 디스트리뷰터의 설명도, 도 4는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제3섹션의 디스트리뷰터의 평면도, 도 5는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제3섹션의 디스트리뷰터의 측면도, 도 6은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제3섹션의 디스트리뷰터의 제1요부상세도, 도 7은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제3섹션의 디스트리뷰터의 제2요부상세도이다.
도 3에 있어서, 12는 제2섹션, 13은 제3섹션, 14는 제4섹션이며, 제2섹션(12)으로부터 하강한 액체는 컬렉터(54)에 의해 모아진다. 이 컬렉터(54)는 원통형의 탑 본체(70), 소정의 피치로 상호 평행하게 여러 개 설치된 컬렉터 래미나(71) 및 상기 탑 본체(70)의 내주면을 따라 형성되며, 고리형 홈으로 이루어지는 컬렉터 박스(72)를 구비한다. 상기 컬렉터 래미나(71)는 상단에 만곡부(灣曲部)(73)를, 중앙에 경사부(74)를, 하단에 홈부(75)를 구비하고, 상기 만곡부(73) 및 홈부(75)는 모두 수평(도 3에 있어서 지면에 대해 직각 방향)으로 이어진다.
따라서, 제2섹션(12)로부터 하강한 액체는 상기 각 만곡부(73)에 접한 후, 각 경사부(74)를 따라 흘러 홈부(75)에 의해 받아들여지고, 수평방향으로 이동한 후 컬렉터 박스(72)로 보내진다. 계속하여, 이 컬렉터 박스(72) 내의 액체는 노즐(52)로부터 라인(L11)으로 배출된다.
이 라인(L11)은 라인(L12, L13)으로 갈라지고, 라인(L12, L13)은 각각 노즐(53a, 53b)을 통해 디스트리뷰터(61)에 접속된다. 그리고 상기 라인(L12, L13)에는 각각 분배비율 변경수단으로 밸브(V1, V2)가 설치되고, 이 밸브(V1, V2)를 선택적으로 개폐함에 의해, 제1, 제2모드로 디스트리뷰터(61)에 의한 분배를 할 수 있다. 즉 제1모드에 있어서 액체는 상기 라인(L12)을 통해 디스트리뷰터(61)에 공급되고, 이 디스트리뷰터(61)에 의해 분배된다. 또한, 제2모드에 있어서 액체는 상기 라인(L13)을 통해 디스트리뷰터(61)에 공급되고, 이 디스트리뷰터(61)에 의해 분배된다. 또한, 상기 밸브(V1, V2)는 수동으로, 또는 도시되지 않은 제어장치로부터의 신호에 의거하여 자동적으로 개폐된다.
또, 상기 디스트리뷰터(61)는 액체를 칸막이(22)에 대해 직각 방향으로 분배하는 제1분배부(77) 및 이 제1분배부(77)의 바로 밑에 설치되며 제1분배부(77)에 의해 분배된 액체를 칸막이(22)와 같은 방향으로 분배하는 제2분배부(78)를 구비한다. 따라서, 상기 액체를 제4섹션(14)의 전체에 균일하게 분배할 수 있다.
그런데, 본 실시형태에 있어서는 제4섹션(14)의 제1챔버(14A)에 분배되는 액체 및 제2챔버(14B)에 분배되는 액체의 양의 분배비율을 설정할 수 있으며, 또 이 분배비율을 변경할 수도 있게 되어 있다. 이 분배비율은 원액(M)의 성분 A∼C의 종류, 원액(M)의 성분(A∼C)의 조성, 결합형 증류탑(10)(도 1)의 이론단수, 제품에 요구되는 순도(품질) 등의 증류조건에 의거하여 설정된다. 이 경우, 제5섹션(15)의 제2챔버(15B)에 있어서 사이드 컷 노즐(42)로부터 제품이 배출되므로, 제1챔버(14A)에 분배되는 액체의 양보다 제2챔버(14B)에 분배되는 액체의 양이 많아지며, 상술한 바와 같이 순도가 99.98[중량%]의 제품을 얻는 경우 분배비율은 4:6이 되고, 순도가 99.999[중량%]의 제품을 얻는 경우 분배배율은 2:8이 된다. 또, 부하율은 50∼100[%]로 변경된다.
따라서, 증류조건이 변화해도 최적 상태로 증류를 할 수 있으며, 증류의 효과를 높일 수 있다. 그 결과, 증류장치에 있어서 소비에너지를 줄일 수 있다. 또한 복잡한 계장제어 시스템을 사용할 필요가 없으므로, 증류장치를 소형화할 수 있을 뿐 아니라, 증류장치의 코스트를 낮출 수 있다.
상기 제1분배부(77)는 위쪽이 개방되며, 상호 인접하여 형성된 2개의 개방정압형 메인 채널(77a, 77b)로 이루어진다. 이 메인 채널(77a, 77b)은 칸막이(22)를 사이에 두고 이어져 있으며, 메인 채널(77a, 77b)의 저면에 매트릭스형태로 배열하는 여러 개의 구멍(81)이 형성된다. 그리고, 이 구멍(81)의 직경 및 개수를 적절하게 설정함에 따라, 상기 분배비율이 예를 들면 4:6이 되거나 2:8이 되거나 한다.
또, 메인 채널(77a, 77b)에는 액체의 공급에 따라 동압(動壓)이 발생해도, 메인 채널(77a, 77b) 내의 액면 레벨에 치우침이 발생하지 않도록, 완충재(84)가 설치된다. 따라서, 메인 채널(77a, 77b) 내의 액체에 발생하는 수두압(水頭壓)을 일정하게 할 수 있다.
이와 같이 상기 제1분배부(77)가 개방정압형 메인 채널(77a, 77b)로 이루어지므로, 제1분배부(77)에 충분한 양의 액체를 저장할 수 있으며, 구멍(81)으로부터 하강시킬 수 있다. 따라서, 제1 분배부(77)의 높이를 그 만큼 줄일 수 있으므로, 증류장치를 소형화할 수 있다.
또한, 예를 들면 원액(M)에서 한 종류의 순도의 제품을 증류에 의해 분리시킬 경우, 분배비율을 변경할 필요가 없으므로, 메인 채널은 하나가 되며 분배비율은 예를 들면 3:7로 고정되고, 부하율만 50∼100[%]로 변경된다. 그리고, 컬렉터(54)에 의해 모아진 액체는 탑 본체(70) 밖으로 배출되지 않고, 그대로 디스트리뷰터(61)에 공급된다. 또, 원액(M)으로부터 세 종류의 순도의 제품을 증류에 의해 분리시킬 경우, 분배비율을 변경하기 위해 메인 채널은 셋이 된다.
그리고, 상기 제2분배부(78)는 위쪽이 개방되며, 상호 인접하여 형성된 여러 쌍의 상자형 암(arm) 채널(78a, 78b)로 구성된다. 이 암 채널(78a, 78b)은 클램프(clamp)(85)에 의해 한 쌍씩 연결된 상태로 서포트(82)에 의해 지지되고, 저면에 여러 개의 구멍(83)이 등(等) 피치로 형성된다. 또한, 상기 암 채널(78a, 78b)의 측면에 구멍, 노치 등을 형성할 수도 있다. 또, 상기 각 클램프(85)는 제1분배부(77)의 양 측면에 고정된 「L」자형 부재(92)와 볼트(91)에 의해 연결된다. 이렇게 해서 상기 제1분배부(77)는 제2분배부(78)에 의해 지지되며, 상기 메인 채널(77a) 내의 액체가 분배되어 각 암 채널(78a)에 공급되고, 메인 채널(77b) 내의 액체가 분배되어 각 암 채널(78b)에 공급된다. 또한, 상기 제1분배부(77)에 의해 분배된 액체를 확실하게 제2분배부(78)에 공급할 수 있도록 상기 서포트(82)의 각 개소에 스토퍼(93)가 장착되고, 제2분배부(78)의 위치결정이 행해진다.
또, 제1챔버(14A)에 공급하는 액체의 양과 제2챔버(14B)에 공급하는 액체의 양을 다르게 하기 위해, 상기 메인 채널(77a)의 저면에 있어서의 제1챔버(14A) 측 부분에 형성된 구멍(81)의 직경(d1) 및 개수(n1), 상기 메인 채널(77a)의 저면에 있어서의 제2챔버(14B) 측 부분에 형성된 구멍(81)의 직경(d2) 및 개수(n2), 상기 제1챔버(14A) 측에 설치된 암 채널(78a)의 저면에 형성된 구멍(83)의 직경(d3) 및 개수(n3), 또 제2챔버(14B) 측에 설치된 암 채널(78a)의 저면(底面)에 형성된 구멍(83)의 직경(d4) 및 개수(n4)는 각각 상기 분배비율에 대응하여 설정된다. 또한, 일부 구멍(81)의 직경(d1, d2)을 분배비율에 대응시켜 작게 할 수도 있다.
따라서, 제1챔버(14A)에 공급되는 액체의 양을 q1으로 하고, 제2챔버(14B)에 공급되는 액체의 양을 q2라고 했을 때,
q 1 = ( π / 4 ) d 12·n 1
= ( π / 4 ) d 32·n 3
q 2 = ( π / 4 ) d 22·n 2
= ( π / 4 ) d 42·n 4 가 된다.
또, 직경(d1, d2)을 분배비율에 대응시켜 설정하고 개수(n3, n4)를 동일하게 하면, 각 구멍(83)이 분담하는 충전물의 단면적을 균등하게 할 수 있다.
그리고, 제1챔버(14A)에 공급되는 액체의 양(q1)과 제2챔버(14B)에 공급되는 액체의 양(q2)를 다르게 하기 위해, 상기 메인 채널(77b)의 저면에 있어서의 제1챔버(14A)측 부분에 형성된 구멍(81)의 직경(d5) 및 개수(n5), 상기 메인 채널(77b)의 저면에 있어서의 제2챔버(14B)측 부분에 형성된 구멍(81)의 직경(d6) 및 개수(n6), 상기 제1챔버(14A)측에 설치된 암 채널(78b)의 저면에 형성된 구멍(83)의 직경(d7) 및 개수(n7), 또 제2챔버(14B)측에 설치된 암 채널(78b)의 저면에 형성된 구멍(83)의 직경(d8) 및 개수(n8)를 각각 상기 분배비율에 대응시켜 설정할 수도 있다.
이와 같이 밸브(V1, V2)를 선택적으로 개폐함에 의해 증류조건에 대응시켜 분배비율을 변경할 수 있으므로, 복잡한 계장제어 시스템을 사용할 필요가 없어진다. 따라서, 증류장치를 소형화할 수 있을 뿐 아니라, 증류장치의 코스트를 낮출 수 있다.
게다가, 상기 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B) 내에 있어서 각각 각 구멍(83)으로부터 하강하는 액체의 양을 균등하게 할 수 있으므로, 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B) 내의 충전물에 있어서 채널링현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
〈실시예〉
결합형 증류탑(10)에 있어서의 제품의 생산능력을 40000[t/Y]으로 하고, 결합형 증류탑(10)의 직경을 1100[mm]으로 하며, 충전물로서 「BX팩킹(메탈게이지)」 및 「메라팩 350Y(메탈시트)」(모두 상품명;스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤(住友重機械工業株式會社)제품)을 사용했다.
또, 결합형 증류탑(10)의 운전조건은 다음과 같다.
조작압 : 상압(常壓)
원액(M)의 조성(일반공업품) : 초산 에틸 99.98[중량%]
제품의 조성(고순도품) : 초산 에틸 99.999[중량%]
그리고, 2기(基)의 증류탑을 조합시킨 증류장치 및 본 발명의 결합형 증류탑(10)을 사용하여, 각각 원액(M)으로부터 비등점이 낮은 성분 A 및 비등점이 높은 성분 C를 제거하고, 성분 B로 이루어지는 제품으로서 초산 에틸을 99.999[중량%]의 순도로 얻었다.
2기의 증류탑을 조합시킨 증류장치에 있어서 제품 1[t]당 증기의 사용량은 0.82[t]이고, 제품 1[t]당 전기 사용량은 2.3[t]인 것에 대하여, 결합형 증류탑(10)에 있어서는 제품 1[t]당 증기의 사용량은 0.7[t]이고, 제품 1[t]당 전기 사용량은 2.0[t]이었다.
또, 결합형 증류탑(10)에 있어서는, 2기의 증류탑을 조합시킨 증류장치와 비교해서 건설비가 약 65[%]가 되며, 설치면적이 약 50[%]가 되었다.
그리고, 상기 분배비율을 2:8로 했을 때, 제1챔버(14A)를 하강한 액체의 유량은 850∼1700[kg/H]이 되며, 제2챔버(14B)를 하강한 액체의 유량은 3400∼6800[kg/H]이 되었다. 또, 상기 분배비율을 4:6으로했을 때, 제1챔버(14A)를 하강한 액체의 유량은 1600∼3200[kg/H]이 되며, 제2챔버(14B)를 하강한 액체의 유량은 2400∼4800[kg/H]이 되었다.
다음으로, 상기 제5섹션(15)의 디스트리뷰터(63)에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 제5섹션의 디스트리뷰터의 요부평면도, 도 9는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 스탠드 파이프와 메인 헤더의 연결상태를 나타낸 도면이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 디스트리뷰터(63)는 수직으로 이어져 상단이 개방됨과 동시에, 컬렉터(62)(도 1)로부터 배출된 액체를 모아 소정의 수두(水頭)를 형성하는 개방정압형 스탠드 파이프(155), 액체를 칸막이(23)에 대해 직각 방향으로 분배하는 제1분배부로서의 메인 헤더(177) 및 이 메인 헤더(177)와 연결되어 설치되고, 메인 헤더(177)에 의해 분배된 액체를 칸막이(23)와 같은 방향으로 분배하는 제2분배부로서의 여러 개의 암 튜브(178)를 구비한다.
그런데, 본 실시형태에 있어서는 상기 제1증류부(25)의 회수부(AR2)와 제3증류부(27)의 농축부(AR5)가 상기 칸막이(24)를 사이에 두고 인접하므로, 상기 회수부(AR2)가 반원통형이 되어 버린다. 따라서 상기 액체를 상기 회수부(AR2) 전체에 균일하게 분배할 수 없다.
그래서, 상기 메인 헤더(177)는 탑 본체(70)의 거의 중앙에 있어서 칸막이(23)와 인접하는 부분에서 직경방향 바깥쪽을 향해 이어지고, 제1챔버(15A)의 중앙보다 칸막이(23) 측으로 편심시킨 위치에 있어서 상기 스탠드 파이프(155)의 하단과 연결되는 연결부(177a), 칸막이(23)에서 떨어진 측에 있어서 상기 연결부(177a)와 연결되는 제1암(Arm)부(177b) 및 칸막이(23)에 가까운 쪽에 있어서 상기 연결부(177a)와 연결된 제2암부(177c)로 이루어진다. 상기 각 암 튜브(178)는 등(等) 피치로 설치되며, 본 실시형태에 있어서는 상기 연결부(177a)에 하나의 암 튜브(178)가, 상기 제1암부(177b)에 세 개의 암 튜브(178)가, 상기 제2암부(177c)에 하나의 암 튜브(178)가 설치되도록 되어 있다. 또, 상기 스탠드 파이프(155)는 메인 헤더(177) 위에 있어서 칸막이(23) 측으로부터 약 5분의 2의 거리에 설치된다.
그리고, 제1암부(177b) 및 제2암부(177c)는 각각 선단(先端)이 엔드 플레이트(End Plate)(177d,177e)에 의해 폐쇄된다. 따라서, 상기 스탠드 파이프(155)에 있어서 발생한 수두압(水頭壓)은 상기 메인 헤더(177) 내에 균등하게 전달된다. 또한, 191, 192는 분할플랜지, 193, 194는 스토퍼이다.
상기 메인 헤더(177)의 저면에 여러 개의 구멍(181)이 형성된다. 그리고, 상기 각 암 튜브(178)는 메인 헤더(177)의 하단(下端) 근방에 있어서 메인 헤더(177)와 연통(連通)하여 고정되고, 메인 헤더(177)에 대해 직각 방향으로 연장됨과 동시에 서포트(182)에 의해 지지되며, 저면에 여러 개의 구멍(183)이 등(等) 피치로 형성된다. 또, 상기 암 튜브(178)의 양단(兩端)은 (178a, 178b)에 의해 폐쇄된다.
이와 같이 상기 메인 헤더(177)와 암 튜브(178)가 연결되므로, 상기 메인 헤더(177) 내의 액체가 분배되어 각 암 튜브(178)에 공급된다.
또, 상기 메인 헤더(177)는 제1챔버(15A)의 중앙보다 칸막이(23) 측으로 편심시킨 위치에 있어서 상기 스탠드 파이프(155)의 하단과 연결되므로, 메인 헤더(177) 내에 있어서 유로저항에 수반하여 발생하는 압력손실을 각 암 튜브(178) 마다 균일하게 할 수 있다.
따라서, 상기 액체를 상기 회수부(AR2) 전체에 균일하게 분배할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는 상기 구멍(183)을 암 튜브(178)를 따라 등(等) 피치로 형성하도록 되어 있지만, 부등(不等) 피치로 형성함에 의해 상기 액체를 상기 회수부(AR2) 전체에 더욱 균일하게 분배할 수도 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는 상기 회수부(AR2)의 위쪽에 설치된 디스트리뷰터(63)에 대해 설명하고 있는데, 제3증류부(27)의 농축부(AR5)의 위쪽에 설치된 디스트리뷰터(66)도 동일한 구성을 갖는다.
그런데, 결합형 증류탑(10)을 설계함에 있어서, 각 챔버 내의 평형이론단수 NTSM [단/m], 1이론단당 충전높이 HETP[mm],, 및 챔버 내의 단위높이당 압력손실 ΔP[mmHg/m]를 결정할 필요가 있다. 또한, 상기 F팩터(f)는 증기의 압력을 고려하여 넣은 실질속도를 나타내는 파라미터이며, 공탑속도를 u라고 하고, 증기밀도를 ρ[kg/m3]으로 했을 때,
이다. 여기에서, 증기밀도 ρ는 압력을 P [ mmHg ]로 하고, 온도를 T [ °K ]로 하고 몰수를 M으로 했을 때,
ρ= 273.2 ·P ·M/ 22.41 ×760 ·T
= P ·M/ (62.36) ·T 이다.
그런데, 충전물이 설치된 실내에 있어서 액체를 하강시키고 또한 증기를 상승시키려고 할 때, 실내를 하강하는 액체에 의해 증기의 흐름에 압력손실이 발생한다. 본 실시형태에 있어서는 상기 디스트리뷰터(61)가 상기 제1챔버 상부에 공급되는 액체의 양과 제2챔버 상부에 공급되는 액체의 양을 다르게 하도록 하고 있으므로, 상기 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B)를 하강하는 액체의 유량, 즉 하강액량은 서로 다르다. 그 결과, 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B)의 압력손실이 서로 다르고, 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B)를 상승하는 증기의 양, 즉 상승증기량이 서로 달라진다.
그래서, 하강액량이 서로 달라도 압력손실이 동일해지도록 F팩터(f)를 설정하도록 하고 있다.
도 10은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 압력손실의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
이 경우, 하기의 조건으로 시뮬레이션을 하였다.
하강재료 : 초산 에틸 (MW=88.1)
조작압력 : 상압 (760[mmHg])
조작온도 : 76 [℃]
증기의 밀도 : 3.0785[kg/㎥]
액체의 밀도 : 900[kg/㎥]
표면장력 : 20[dyn/cm]
충전물(A)의 종류 : BX팩킹
강하액량 : 5, 10, 15, 20, 25, 30[㎥/㎡ hr]
와 단위단면적당 상승증기유량과의 관계 :
0.5 3200
1.0 6300
1.5 9500
2.0 12600
2.5 15800
이와 같이 충전물(A)로서 BX팩킹을 사용하고 F팩터(f)를 0.5∼2.5로 변화시킬 때, 도면에서 알 수 있는 것처럼 F팩터(f)가 0.5∼1.5인 경우에는 강하액량이 변화해도 압력손실이 거의 변화하지 않는 것을 알 수 있다.
그래서 본 실시형태에 있어서는, 제2섹션(12)(도 1), 제4섹션(14), 제6섹션(16) 및 제8섹션(18)의 충전물(A)로 BX팩킹을 사용하며, F팩터(f)를 1.0∼1.5로 하도록 하고 있다. 따라서, 제2섹션(12), 제4섹션(14), 제6섹션(16) 및 제8섹션(18)에 있어서의 압력손실이 거의 일정해지므로, 제1챔버(14A, 16A)에 있어서 발생하는 압력손실과 제2챔버(14B, 16B)에 있어서 발생하는 압력손실이 동일해진다. 그 결과, 상승하는 증기에 대해 하강하는 액체의 영향이 미치지 않으므로, 증기는 균등하게 분배되어 상승한다. 또한 F팩터(f)를 0.5∼1.0으로 할 수도 있지만, 이 경우 실질속도가 낮아지는 만큼 챔버의 단면적이 커진다.
그리고, 증기를 분배하기 위하여 다수의 계장품을 설치할 필요가 없을 뿐 아니라, 각 계장품을 조작하여 복잡한 제어를 행할 필요가 없다. 따라서, 증류장치를 소형화할 수 있을 뿐 아니라, 증류장치의 제작비용을 저렴하게 할 수 있다.
또한, 결합형 증류탑(10)내의 액체의 하강(下降) 및 증기의 상승을 원활화할 수 있기 때문에, 각 챔버 내의 충전물(A)에 있어서 채널링현상이 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 맬디스트리뷰션이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그런데, 상기 결합형 증류탑(10)에 있어서는, 제4섹션(14), 제5섹션(15), 제6섹션(16)에 칸막이(22∼24)가 설치되어 있기 때문에, 제1챔버(14A)와 제2챔버(14B)의 사이 및 제1챔버(16A)와 제2챔버(16B)의 사이에 있어서 압력손실에 차이가 생기기 쉽다. 그래서, 충전물을 선택함으로써 제1챔버(14A)과 제2챔버(14B)의 사이 및 제1챔버(16A)과 제2챔버(16B)의 사이에 있어서, 압력손실에 차이가 생기는 것을 방지하도록 한 본 발명의 제2∼제4실시형태에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 특성을 나타낸 도면, 도 12는 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 충전물의 특성을 나타낸 도면이다.
이 경우, 제2섹션(12), 제4섹션(14)의 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B), 및 제6섹션(16)의 제1챔버(16A) 및 제2챔버(16B)에 충전물(A)로서 BX패킹을 사용하여, 제8섹션(18)에 충전물(B)로서 메라팩 350Y를 사용하였다.
여기에서, 상기 제1챔버(14A, 16A)에 있어서 발생하는 압력손실을 δP1으로 하고, 상기 제2챔버(14B, 16B)에 있어서 발생하는 압력손실을 δP2로 한다. 또한, 제1챔버(14A, 16A) 및 제2챔버(14B, 16B)의 각 이론단수(理論段數)를 NTSi(i=14A, 16A, 14B, 16B)로 하고, 단위높위당 평형이론단수를 NTSMi(i=14A, 16A, 14B, 16B)[단/m]로 하고, 단위높이당 압력손실을 ΔPi(i=14A, 16A, 14B, 16B)로 한다.
이때, 상기 압력손실(δP1)은,
δP1= (NTS14A/NTSM14A) ㆍ ΔP14A+ (NTS14B/NTSM14B) ㆍ ΔP14B
이며, 상기 압력손실(δP2)은,
δP2= (NTS16A/NTSM16A) ㆍ ΔP16A+ (NTS16B/NTSM16B) ㆍ ΔP16B
이므로, 도 11을 참조하여 각 F팩터(fi)(i=14A, 16A, 14B, 16B)를 산출하여, 도 12를 참조하여 각 F팩터(fi)에 대응하는 단위높이당 압력손실(ΔPi) 및 단위높이당 평형이론단수(NTSMi)[단/m]를 산출함으로써 각 이론단수(NTSi)를 소정의 값으로 설정하면 상기 압력손실(δP1, δP2)은,
δP1≒ δP2
로 할 수 있다.
또한, 도 12에 있어서는, 각 F팩터(fi), 각 압력손실(ΔPi) 및 각 평형이론단수(NTSMi)마다의 값은 나타내지 않고 범위로 표현되어 있다.
다음으로 본 발명의 제3실시형태에 대하여 설명한다.
도 13은 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 특성을 나타낸 도면, 도 14는 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 충전물의 특성을 나타낸 도면이다.
제2섹션(12) 및 제8섹션(18)에 충전물(C)로서 메라팩 250Y(상품명:스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤 제작)를 사용하고, 제4섹션(14)의 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B), 및 제6섹션(16)의 제1챔버(16A) 및 제2챔버(16B)에 충전물(D)로서 메라팩 250X(상품명:스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤 제작)를 사용하였다. 이 경우, 제2섹션(12) 및 제8섹션(18)에 있어서 메라팩 250Y가 사용되기 때문에, 결합형 증류탑(10)(도 1) 내의 액체 및 증기의 흐름을 안정시킬 수 있었다. 또한, 제4섹션(14)의 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B), 및 제6섹션(16)의 제1챔버(16A) 및 제2챔버(16B)에 메라팩 250X이 사용되기 때문에, 상승증기량이 많더라도 압력손실(δP1, δP2)에 주어지는 영향은 적다.
여기에서, 예컨대 각 이론단수(NTSi)를,
NTS14A= 14[단]
NTS14B= 13[단]
NTS16A= 12[단]
NTS16B= 7[단]
로 하면, 제1챔버(14A, 16A)에 있어서 발생하는 압력손실(δP1)은,
δP1= (NTS14A/NTSM14A) ㆍ ΔP14A+ (NTS14B/NTSM14B) ㆍ ΔP14B
= (14/2.2) ×0.8 + (13/2.0) ×4.5
= 34.34[mmHg]
이며, 상기 제2챔버(14B, 16B)에 있어서 발생하는 압력손실(δP2)은,
δP2= (NTS16A/NTSM) ㆍ ΔP16A+ (NTS16B/NTSM) ㆍ ΔP16B
= (12/2.0) ×4.0 + (7/2.0) ×3.0
= 34.5[mmHg]
이다.
따라서, 상기 압력손실(δP1, δP2)을
δP1≒ δP2
로 할 수 있다.
다음으로 본 발명의 제4실시형태에 대하여 설명한다.
도 15는 본 발명의 제4실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 특성을 나타낸 도면, 도 16은 본 발명의 제4실시형태에 있어서의 충전물의 특성을 나타낸 도면이다.
이 경우, 제1챔버(14A, 16A)의 이론단수(NTS14A+ NTS16A)와 제2챔버(14B, 16B)의 이론단수(NTS14B+ NTS16B)가 다르며, 또한 상승증기량이 서로 다른 경우에 효과가 있으며, 제2섹션(12)에 충전물(C)이, 제1챔버(14A, 16A)에 충전물(D)이, 제2챔버(14B, 16B)에 충전물(A)이, 제8섹션(18)에 충전물(B)이 설치된다.
그 결과, 제1챔버(14A, 16A)에 있어서 발생하는 압력손실(δP1) 및 상기 제2챔버(14B, 16B)에 있어서 발생하는 압력손실(δP2)을,
δP1≒ δP2
로 할 수 있다.
다음으로, 각 충전물(A∼D)을 선택하는 것만으로는 압력손실(δP1, δP2)을 동등하게 할 수 없는 경우에, 압력손실(δP1, δP2)을 동등하게 하도록 한 본 발명의 제5, 제6실시형태에 대하여 설명한다.
도 17은 본 발명의 제5실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부개념도, 도 18은 본 발명의 제5실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부단면도이다.
도면에 있어서, 113은 제3섹션, 114A∼116A는 제1챔버, 114B∼116B는 제2챔버, 117은 제7섹션, 122∼124는 칸막이이다.
본 실시형태는 결합형 증류탑에 있어서의 증류조건에 따라, 제1챔버(114A, 116A) 내의 상승증기량과 제2챔버(114B, 116B) 내의 상승증기량이 서로 다른 경우에 효과가 있다. 이에 따라, 상기 칸막이(122∼124)가 편심되어, 본 실시형태에 있어서는 제1챔버(114A, 116A)의 단면적(S1)이 제2챔버(114B, 116B)의 단면적(S2)보다 작게 되어,
S1 : S2 = 3 : 7
이 된다.
그런데, 제1챔버(114A, 116A) 내의 상승증기량을 Q1으로 하고, 제2챔버(114B, 116B) 내의 상승증기량을 Q2로 하여, 제1챔버(114A, 116A) 내의 공탑속도(空塔速度)를 u1로 하고, 제2챔버(114B, 116B) 내의 공탑속도를 u2로 하면, 상기 공탑속도(u1, u2)는,
u1 = (Q1/S1) ×3600[m/s]
u2 = (Q2/S2) ×3600[m/s]
이 되어, 상기 단면적(S1, S2)을 변경함으로써 공탑속도(u1, u2)를 변경하여 조화를 이룰 수 있다.
그 결과, 제1챔버(114A, 116A)의 F팩터(f114A, f116A) 및 제2챔버(114B, 116B)의 F팩터(f114B, f116B)를 변경할 수 있으며, 제1챔버(114A, 116A) 내의 단위높이당 압력손실(ΔP114A, ΔP116A) 및 제2챔버(114B, 116B) 내의 단위높이당 압력손실(ΔP114B, ΔP116B)을 변경할 수 있다.
그래서, 본 실시형태에 있어서는 상기 단면적(S1, S2)을 다르게 함으로써, 제1챔버(114A, 116A) 내의 단위높이당 압력손실(ΔP114A, ΔP116A)과 제2챔버(114B, 116B) 내의 단위높이당 압력손실(ΔP114B, ΔP116B)을 동등하게 하고, 압력손실(δP1, δP2)을 동등하게 하도록 하고 있다.
다음으로, 본 발명의 제6실시형태에 대하여 설명한다.
도 19는 본 발명의 제6실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부개념도, 도 20은 본 발명의 제6실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부단면도이다.
도면에 있어서, 213은 제3섹션, 214A∼216A는 제1챔버, 214B∼216B는 제2챔버, 217은 제7섹션, 222∼224는 칸막이이다.
본 실시형태는 결합형 증류탑에 있어서의 증류조건에 따라, 제1챔버(214A, 216A) 내의 상승증기량과 제2챔버(214B, 216B) 내의 상승증기량이 서로 다른 경우에 효과가 있다. 이에 따라, 상기 칸막이(222∼224)가 편심되어, 본 실시형태에 있어서는 제1챔버(214A, 216A)의 단면적(S1)이 제2챔버(214B, 216B)의 단면적(S2)보다 작게 되어,
S1 : S2 = 4 : 6
이 된다.
또한, 제1챔버(214A) 내의 충전물 높이가 제2챔버(214B) 내의 충전물 높이보다 작게 되고, 제1챔버(216A) 내의 충전물 높이가 제2챔버(216B) 내의 충전물 높이보다 크게 된다.
상기 각 실시형태에 있어서는, 충전물로서 BX팩킹, 메라팩 250X, 메라팩 250Y 및 메라팩 350Y가 사용되었지만, CY팩킹, 메라팩 125X, 메라팩 125Y, 메라팩 170X, 메라팩 170Y, 메라팩 2X, 메라팩 2Y, 메라팩 500X, 메라팩 500Y, 메라팩 750Y 등을 사용할 수도 있다(모두 상품명:스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤 제품).
다음으로, 본 발명의 제7실시형태에 대하여 설명한다.
도 21은 본 발명의 제7실시형태에 있어서의 디스트리뷰터의 설명도, 도 22는 본 발명의 제7실시형태에 있어서의 디스트리뷰터의 요부평면도, 도 23은 본 발명의 실시형태에 있어서의 스탠드 파이프와 메인 헤더의 연결상태를 나타낸 도면, 도 24는 본 발명의 제7실시형태에 있어서의 메인 헤더와 암 튜브의 연결상태를 나타낸 도면이다.
도면에 있어서, 12는 제2섹션, 13은 제3섹션, 14는 제4섹션이며, 상기 제2섹션(12)으로부터 하강한 액체는 컬렉터(54)에 의해 모여진다. 이 컬렉터(54)는 원통모양의 탑 본체(70), 소정의 피치로 서로 평행하게 여러 개 설치된 컬렉터 래미나(71) 및 상기 탑 본체(70)의 내주면을 따라 형성되고, 고리모양의 홈으로 이루어지는 컬렉터 박스(72)를 구비한다. 상기 컬렉터 래미나(71)는 상단에 만곡부(灣曲部;73)를, 중앙에 경사부(74)를, 하단에 홈부(75)를 구비하여, 상기 만곡부(73) 및 홈부(75)는 모두 수평(도 21에서의 지면(紙面)에 대한 직각 방향)으로 뻗는다.
따라서, 제2섹션(12)으로부터 하강한 액체는 각 만곡부(73)에 닿은 후, 각 경사부(74)를 따라 흘러 홈부(75)에 의해 받아지고, 수평방향으로 이동된 후 컬렉터 박스(72)로 보내진다. 계속해서, 이 컬렉터 박스(72) 내의 액체는 집액(集液) 파이프(252)에 의해 탑 본체(70)의 중앙으로 보내지고, 중앙에 있어서 배출 파이프(253)로부터 디스트리뷰터(261)에 배출된다.
이 디스트리뷰터(261)는 상단이 개방되고 수직으로 뻗어 설치되며, 상기 배출 파이프(253)로부터 배출된 액체를 저장하여 소정의 수두압(水頭壓)을 발생시키는 개방정압형(開放靜壓型) 스탠드 파이프(255), 액체를 칸막이(22)에 대하여 직각 방향으로 분배하는 제1분배부로서의 메인 헤더(277) 및 이 메인 헤더(277)와 연결하여 설치되고, 메인 헤더(277)에 의해 분배된 액체를 칸막이(22)와 동일 방향으로 분배하는 제2분배부로서 여러 개의 암 튜브(278)를 구비한다. 따라서, 상기 액체를 제4섹션(14)의 전체에 균일하게 분배할 수 있다.
그런데, 본 실시형태에 있어서는, 제4섹션(14)의 제1챔버(14A)에 분배되는 액체 및 제2챔버(14B)에 분배되는 액체량의 분배비율을 설정할 수 있고, 또한 이 분배비율을 변경할 수도 있도록 되어 있다. 이 분배비율은 원액(M) 성분(A∼C)의 종류, 원액(M) 성분(A∼C)의 조성, 결합형 증류탑(10)(도 1)의 이론단수, 제품에 요구되는 순도(純度)(품질) 등의 증류조건에 기하여 설정된다. 이 경우, 제5섹션(15)의 제2챔버(15B)에 있어서, 사이드 컷 노즐(42)로부터 제품이 배출되기 때문에, 제1챔버(14A)에 분배되는 액체의 양에 따라 제2챔버(14B)에 분배되는 액체의 양이 많아지게 되며, 예컨대 제품에 요구되는 순도에 대응시켜 분배비율은 2 : 8 ∼ 5 : 5로 설정된다. 또한, 조작범위의 부하율은 통상의 1 : 2.5로 된다.
따라서, 증류조건에 대응시켜 최적의 상태에서 증류를 행할 수 있으며 증류의 효율을 높일 수 있다. 그 결과, 증류장치에 있어서 소비에너지를 적게 할 수 있다. 게다가, 복잡한 계장 제어 시스템을 사용할 필요가 없기 때문에, 증류장치가 대형화되지 않고 증류장치의 제조비용을 낮출 수 있다.
이에 따라, 상기 메인 헤더(277)는 칸막이(22)를 넘어 이어지고, 제1챔버(14A)측으로 뻗는 제1암(arm)부(277a) 및 제2챔버(14B)측으로 뻗는 제2암부(277b)로 이루어지며, 중앙에 있어서 상기 스탠드 파이프(255)의 하단과 연결된다. 또한, 상기 제1암부(277a) 및 제2암부(277b)는 모두 선단(先端)이 엔드 플레이트(end plate;277c)에 의해 폐쇄된다. 따라서, 상기 스탠드 파이프(255)에 있어서 발생된 수두압은 상기 메인 헤더(277) 내에 균등하게 전달된다. 또한, 상기 메인 헤더(277)의 저면(底面)에 여러 개의 구멍(281)이 형성된다.
그리고, 상기 암 튜브(278)는 메인 헤더(277)의 하단 근방에 있어서 메인 헤더(277)와 연이어 통하여 고정되고, 메인 헤더(277)에 대하여 직각 방향으로 뻗는다. 각 암 튜브(278)는 서포트(282)에 의해 지지되고, 저면에 여러 개의 구멍(283)이 등(等) 피치로 형성된다. 또한, 상기 암 튜브(278)의 측면에 구멍, 노치 등을 형성할 수도 있다. 또한, 상기 암 튜브(278)의 양단(兩端)은 엔드 플레이트(278a)에 의해 폐쇄된다. 이와 같이 하여, 상기 메인 헤더(277)와 암 튜브(278)가 연결되기 때문에, 상기 메인 헤더(277) 내의 액체가 분배되어 각 암 튜브(278)에 공급된다.
또한, 제1챔버(14A)에 공급되는 액체의 양과 제2챔버(14B)에 공급되는 액체의 양을 다르게 하기 위하여, 제1암부(277a)에 형성된 구멍(281)의 지름(d11) 및 개수 n11, 제2암부(277b)에 형성된 구멍(281)의 지름(d12) 및 개수 n12, 제1챔버(14A)측에 설치된 각 암 튜브(278)에 형성된 구멍(283)의 지름(d13) 및 개수 n13, 및 제2챔버(14B)측에 설치된 각 암 튜브(278)에 형성된 구멍(283)의 지름(d14) 및 개수(n14)는 각각 상기 분배비율에 대응시켜 설정된다.
따라서, 제1챔버(14A)에 공급되는 액체의 양을 q11로 하고, 제2챔버(14B)에 공급되는 액체의 양을 q12로 하였을 때,
q11 = (π/4)d112ㆍ n11 + (π/4)d132ㆍ n13
q12 = (π/4)d122ㆍ n12 + (π/4)d142ㆍ n14
가 된다.
또한, 지름(d11, d12)을 분배비율에 대응시켜 설정하고, 개수 n11, n12를 동등하게 하면, 각 구멍(281, 283)이 분담(分擔)하는 충전물의 단면적을 균등하게 할 수 있다.
이와 같이, 증류조건에 대응시켜 분배비율을 설정할 수 있기 때문에, 복잡한 계장 제어 시스템을 사용할 필요가 없게 된다. 따라서, 증류장치를 소형화할 수 있을 뿐 아니라 증류장치의 제조비용을 낮출 수 있다.
게다가, 상기 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B) 내에 있어서 각각 각 구멍(281, 283)으로부터 하강하는 액체의 양을 균등하게 할 수 있기 때문에, 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B) 내의 충전물에 있어서 채널링(channeling) 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제8실시형태에 대하여 설명한다.
도 25는 본 발명의 제8실시형태에 있어서의 스탠드 파이프의 설명도이다.
이 경우, 스탠드 파이프(255)의 상단에 테이퍼(taper)부(226)가 형성된다. 따라서, 배출 파이프(253)(도 21)로부터 배출된 액체는 테이퍼부(226)를 통하여 스탠드 파이프(255) 내에 원활하게 진입한다.
다음으로, 본 발명의 제9실시형태에 대하여 설명한다.
도 26은 본 발명의 제9실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부개략도이다.
도면에 있어서, 제2섹션(12)(도 21)으로부터 하강한 액체는 컬렉터(345)에 의해 모여진다. 이 컬렉터(345)는 원통모양의 탑 본체(70), 소정의 피치로 평행하게 여러 개 설치된 컬렉터 래미나(71) 및 상기 탑 본체(70)의 내주면을 따라 형성되고 고리모양의 홈으로 이루어지는 컬렉터 박스(72)를 구비한다.
따라서, 제2섹션(12)으로부터 하강한 액체는 컬렉터 박스(72)로 보내진 후, 집액 파이프(352)에 의해, 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B)의 각 중앙에 대응시켜 설치된 배출 파이프(353, 354)에 보내지고, 이 배출 파이프(353, 354)로부터 디스트리뷰터(361, 362)에 배출된다.
이 디스트리뷰터(361, 362)는 상단이 개방되고 수직으로 뻗어 설치되며, 상기 배출 파이프(353, 354)로부터 배출된 액체를 저장하여 소정의 수두압을 발생시키는 개방정압형 스탠드 파이프(375, 376), 액체를 칸막이(22)에 대하여 직각방향으로 분배하는 제1분배부로서의 메인 헤더(377, 379) 및 이 메인 헤더(377, 379)와 연결하여 설치되고, 메인 헤더(377, 379)에 의해 분배된 액체를 칸막이(22)와 동일 방향으로 분배하는 제2분배부로서의 여러 암 튜브(378, 380)를 구비한다. 따라서, 상기 액체를 제4섹션(14)의 전체에 균일하게 분배할 수 있다.
또한, 상기 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B)로의 액체의 분배비율은 배출 파이프(353, 354)로부터 배출되는 액체의 양을 조정함으로써 설정된다. 그로 인해, 상기 배출 파이프(353, 354) 및 암 튜브(378, 380)에 형성된 구멍의 지름은 분배비율에 대응하여 서로 달라진다.
다음으로 본 발명의 제10실시형태에 대하여 설명한다.
도 27은 본 발명의 제10실시형태에 있어서의 디스트리뷰터의 개략도이다.
이 경우, 디스트리뷰터(331)는 2단구조를 가지고 상하로 설치되며, 액체를 칸막이(22)(도 26)에 대하여 직각방향으로 분배하는 제1분배부로서의 메인 헤더(337, 338) 및 이 메인 헤더(337, 338)와 연결하여 설치되고, 메인 헤더(337, 338)에 의해 분배된 액체를 칸막이(22)와 동일 방향으로 분배하는 제2분배부로서의 여러 암 튜브(339, 340)를 구비한다. 따라서, 상기 액체를 제4섹션(14)(도 21)의 전체에 균일하게 분배할 수 있다. 또한, 각 암 튜브(339)에 형성된 미도시된 구멍의 아래쪽에 암 튜브(340)가 설치되지 않도록, 각 암 튜브(339, 340)의 위치가 설정된다. 또한, 225는 스탠드 파이프이다.
이 경우, 제품에 요구되는 순도에 대응시켜, 분배비율은 2:8 ∼5:5로 설정된다. 또한, 조작범위의 부하율은 통상의 1:20으로 된다.
그로 인하여, 제1챔버(14A) 측에 설치된 암 튜브(339, 340)의 미도시된 구멍의 지름과 제2챔버(14B) 측에 설치된 암 튜브(339, 340)의 미도시된 구멍의 지름이 분배비율에 대응하여 설정된다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 제4섹션(14) 위에 하나의 디스트리뷰터(331)가 설치되도록 되어 있지만, 제9실시형태와 동일하게 제1챔버(14A) 및 제2챔버(14B) 상에 각각 디스트리뷰터(331)를 설치할 수도 있다. 그 경우, 제1챔버(14A) 상에 설치되는 암 튜브(339, 340)의 구멍의 지름과, 제2챔버(14B) 상에 설치되는 암 튜브(339, 340)의 구멍의 지름을 다르게 하거나, 한쪽 디스트리뷰터(331) 내의 액체의 레벨을 메인 헤더(337)와 메인 헤더(338)의 사이에 설정하거나 할 수도 있다.
다음으로 본 발명의 제11실시형태에 대하여 설명한다.
도 28은 본 발명의 제11실시형태에 있어서의 디스트리뷰터의 개략도이다.
이 경우, 디스트리뷰터(381)는 한쪽 2단구조를 가지며, 제1챔버(14A)(도 21) 측에 있어서 1단으로 되고, 제2챔버(14B) 측에 있어서 2단으로 되어, 액체를 칸막이(22)에 대하여 직각 방향으로 분배하는 제1분배부로서의 메인 헤더(387∼389) 및 이 메인 헤더(387∼389)와 연결하여 설치되고, 메인 헤더(387∼389)에 의해 분배된 액체를 칸막이(22)와 동일 방향으로 분배하는 제2분배부로서의 여러 암 튜브(391∼393)를 구비한다. 따라서, 상기 액체를 제4섹션(14)의 전체에 균일하게 분배할 수 있다. 본 실시형태는 설정된 분배비율이 매우 불균일한 경우에 적용된다. 또한, 각 암 튜브(392)에 형성된 미도시된 구멍의 아래쪽에 암 튜브(393)가 설치되지 않도록 각 암 튜브(392, 393)의 위치가 설정된다. 또한, 225는 스탠드 파이프이다.
그리고, 상기 암 튜브(391)의 미도시된 구멍의 지름과 암 튜브(392, 393)의 미도시된 구멍의 지름이 분배비율에 대응하여 설정된다.
그런데, 상기 제9∼11실시형태에 있어서는, 컬렉터 박스(72)의 원주방향에 있어서의 2개소로부터 집액 파이프(252, 352)에 액체를 공급하도록 되어 있지만, 탑 본체(70)의 지름이 작은 경우는 컬렉터 박스(72)의 원주방향에 있어서의 1개소로부터 집액 파이프에 액체를 공급할 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 제12실시형태에 대하여 설명한다.
도 29는 본 발명의 제12실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부개략도이다.
도면에 있어서, 제2섹션(12)(도 21)으로부터 하강한 액체는 컬렉터(54)에 의해 모여진다. 이 컬렉터(54)는 원통모양의 탑 본체(70), 소정의 피치로 서로 평행하게 여러 개 설치된 컬렉터 래미나(71) 및 상기 탑 본체(70)의 내주면을 따라 형성되며, 고리모양의 홈으로 이루어지는 컬렉터 박스(72)를 구비한다.
따라서, 제2섹션(12)으로부터 하강한 액체는 컬렉터 박스(72)에 보내진 후, 집액 파이프(395)에 의해 탑 본체(70)의 중앙에 보내지고 노즐(396)로부터 배출된다.
그런데, 상기 제1증류부(25)(도 1)의 농축부(AR1)로부터 하강하여 온 액체와 회수부(AR2)를 상승하는 증기를 접촉시킬 필요가 있지만, 피드 노즐(41)을 개재하여 원액(M)이 그대로 공급되면 액체의 흐름에 치우침이 생겨, 상기 농축부(AR1) 및 회수부(AR2)에 있어서 액체와 증기를 충분하게 접촉시킬 수 없다.
또한, 상기 제2증류부(26)의 회수부(AR4)로부터 하강하여 온 액체와 제3증류부(27)의 농축부(AR5)를 상승하는 증기를 접촉시키고, 또한 제품으로서 상기 액체의 일부를 꺼내도록 되어 있지만, 상기 제품을 꺼내기 위하여 제2챔버(15B) 내에 미도시된 액체받이를 크게 돌출시키면, 이 액체받이에 의해 증기의 흐름에 치우침이 생기고, 상기 회수부(AR4) 및 농축부(AR5)에 있어서 액체와 증기를 충분하게 접촉시킬 수 없다.
그런 이유로, 래미나형 컬렉터를 사용하도록 한 본 발명의 제13실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1실시형태와 동일 구조를 가지는 것에 대해서는 동일 부호를 부여함으로써 그 설명을 생략한다.
도 30은 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 개념도, 도 31은 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 컬렉터의 요부단면도, 도 32는 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 컬렉터의 평면도, 도 33은 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 컬렉터 박스의 평면도, 도 34는 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 컬렉터 박스의 단면도이다. 이 경우, 도 31 및 도 32에 있어서는 컬렉터(462)만에 대하여, 도 33 및 도 34에 있어서는 컬렉터(462, 465)에 대하여 나타낸다.
이 경우, 컬렉터(462)는 탑 본체(70), 이 탑 본체(70)에 있어서의 제5섹션(15)을 분할하여 반원통모양의 제1챔버(15A) 및 제2챔버(15B)를 형성하는 칸막이(23), 상기 탑 본체(70) 및 칸막이(23)의 내주를 따라 집액구(491)를 형성하는 컬렉터 박스(72), 이 컬렉터 박스(72) 상에 가설(架設)된 래미나 서포트(492) 및 이 래미나 서포트(492)를 따라 소정의 피치로 서로 평행하게 여러 개 설치된 컬렉터 래미나(493, 494)로 이루어진다. 또한, 각 컬렉터 래미나(493, 494)는 도 32에 도시된 바와 같이, 상기 컬렉터 박스(72)의 내주벽(72a) 상에 있어서 탑 본체측 부분과 칸막이측 부분의 사이에 가설되며, 칸막이(23)에 대하여 직각 방향으로 이어진다.
그리고, 각 컬렉터 래미나(493, 494)는 상단에 절곡부(折曲部)(473)를, 중앙에 경사부(474)를, 하단에 홈부(475)를 구비하며, 상기 절곡부(473) 및 홈부(475)는 모두 수평(도 31에 있어서의 안쪽방향)으로 뻗는다. 또한, 각 컬렉터 래미나(493, 494)중, 중앙의 컬렉터 래미나(494)는 하나의 홈부(475)에 대하여 경사부(474) 및 절곡부(473)를 두 개 구비하며, 두 개의 경사부(474)는 각각 제1챔버(15A)의 중앙으로부터 멀어지는 측을 향하여 경사진다. 그리고, 각 컬렉터 래미나(493)는 상기 컬렉터 래미나(494)를 사이에 두고 양측에, 예컨대 4개씩 설치되고, 모두 상기 제1챔버(15A)의 중앙으로부터 멀어지는 측을 향하여 경사된다. 게다가, 상기 각 절곡부(473)의 선단(先端)은 인접하는 컬렉터 래미나(493)의 경사부(474)와 오버랩되어 하강하여 온 액체가 반드시 컬렉터 래미나(493, 494)에 닿도록 되어 있다.
또한, 상기 각 홈부(475)의 일단(一端)은 집액구(491)의 탑 본체측 부분을 향하고, 타단(他端)은 집액구(491)의 칸막이측 부분에 놓이기 때문에, 홈부(475) 내에 모여진 액체는 탑 본체(70)측으로부터 또는 칸막이(23)측으로부터 집액구(491)에 보내진다. 그리고, 이 집액구(491)에 있어서의 칸막이(23)로부터 가장 떨어진 부분에는 탑 본체(70)에 피드 노즐(41)이 접속되고, 컬렉터 박스(72)에 액발출(液拔出) 노즐(495)이 접속된다. 또한, 상기 컬렉터(46ㄴ5)는 컬렉터(462)와 동일한 구조를 가지며, 상기 집액구(491)에 있어서의 칸막이(23)로부터 가장 떨어진 부분에는 탑 본체(70)에 사이드 컷 노즐(42)이 접속되고, 컬렉터 박스(72)에 액발출 노즐(495)이 접속된다.
이 경우, 탑 본체(70), 칸막이(23) 및 컬렉터(462, 465)에 의해 집액장치가 구성된다.
따라서, 제4섹션(14)의 제1챔버(14A)로부터 하강하여 온 액체는 컬렉터(462)의 각 컬렉터 래미나(493, 494)에 닿은 후 경사부(474)를 따라 흐르고, 홈부(475)에 의해 받아들여져 수평방향으로 이동되어 집액구(491)에 보내지고, 이 집액구(491)에 있어서 피드 노즐(41)로부터 공급된 원액(M)이 혼입된다. 계속해서, 집액구(491) 내의 액체는 액발출 노즐(495)로부터 뿜어져 나와 디스트리뷰터(63)에 보내지고, 이 디스트리뷰터(63)에 의해 제6섹션(16)의 제1챔버(16A)에 공급된다. 이 경우, 집액구(491) 내에 있어서, 피드 노즐(41)을 개재하여 공급된 원액(M)은 상기 컬렉터(462)에 의해 모여진 액체에 혼입되고, 디스트리뷰터(63)에 의해 제1챔버(16A)에 공급되므로 액체의 흐름에 치우침이 생기는 일은 없다.
또한, 제1챔버(16A)로부터 상승하여 온 증기는 상기 컬렉터(462)의 각 컬렉터 래미나(493, 494) 사이의 간극(間隙)을 지나, 경사부(474)를 따라 제1챔버(15A)의 중앙으로부터 멀어지는 측으로 기울어져 상승한다. 이때, 상기 증기는 경사부(474)를 따라 원활하게 상승되기 때문에 컬렉터(462)에 의한 압력손실은 거의 무시할 수 있을 만큼 작아진다. 따라서, 증기의 흐름에 치우침이 생기지 않는다.
이와 같이, 액체 및 증기의 흐름에 치우침이 생기지 않으므로, 농축부(AR1) 및 회수부(AR2)에 있어서 액체와 증기를 충분히 접촉시킬 수 있다.
그리고, 제4섹션(14)의 제2챔버(14B)로부터 하강하여 온 액체는 동일하게 컬렉터(465)의 각 컬렉터 래미나(493, 494)에 닿은 후 경사부(474)를 따라 흐르고, 홈부(475)에 의해 받아들여져 수평방향으로 이동되어 집액구(491)에 보내진다. 이 집액구(491)에 있어서, 일부 액체가 제품으로서 사이드 컷 노즐(42)로부터 꺼내진다. 계속해서, 집액구(491) 내의 액체는 액발출 노즐(495)을 개재하여 뿜어져 나와 디스트리뷰터(66)에 보내지고, 이 디스트리뷰터(66)에 의해 제6섹션(16)의 제2챔버(16B)에 공급된다. 이 경우, 상기 제품을 꺼내기 위하여 제2챔버(15B) 내에 컬렉터 박스(72)를 크게 돌출시킬 필요가 없기 때문에, 컬렉터 박스(72)에 의해 증기의 흐름에 치우침이 생기지 않는다.
또한, 제2챔버(16B)로부터 상승하여 온 증기는 상기 컬렉터(462)의 각 컬렉터 래미나(493, 494) 사이의 간극을 지나, 경사부(474)를 따라 제2챔버(15B)의 중앙으로부터 멀어지는 측으로 기울어져 상승한다. 이때, 상기 증기는 경사부(474)를 따라 원활하게 상승되기 때문에, 컬렉터(462)에 의한 압력손실은 거의 무시할 수 있을 만큼 작아진다. 따라서, 증기의 흐름에 치우침이 생기지 않는다.
이와 같이, 증기의 흐름에 치우침이 생기지 않기 때문에 회수부(AR4) 및 농축부(AR5)에 있어서 액체와 증기를 충분히 접촉시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제14실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제13실시형태와 동일 구조를 가지는 것에 대해서는, 동일 부호를 부여함으로써 그 설명을 생략한다.
도 35는 본 발명의 제14실시형태에 있어서의 컬렉터의 장착상태도, 도 36은 본 발명의 제14실시형태에 있어서의 결합형 증류탑의 요부단면도, 도 37은 본 발명의 제14실시형태에 있어서의 컬렉터의 평면도, 도 38은 본 발명의 제14실시형태에 있어서의 컬렉터의 단면도, 도 39는 본 발명의 제14실시형태에 있어서의 개스킷(gasket)을 나타낸 도면이다.
이 경우, 제5섹션(15)(도 30)의 제1챔버(15A)에 있어서의 피드 노즐(41)의 바로 위에는 래미나형 컬렉터(562)가, 바로 아래에 튜뷸러형 디스트리뷰터(563)가 설치되며, 상기 컬렉터(562)에 의해 모여진 액체는 상기 피드 노즐(41)을 개재하여 공급된 원액(M)과 함께 디스트리뷰터(563)에 의해 제6섹션(16)의 제1챔버(16A)에 분배된다. 그로 인해, 상기 디스트리뷰터(563)는 개방정압형 집액 파이프(563a), 이 집액 파이프(563a)와 연결되고 칸막이(23)에 대하여 직각 방향으로 뻗는 메인 헤더(563b) 및 이 메인 헤더(563b)와 연결되고 칸막이(23)와 평행(도 36에 있어서의 안쪽방향)하게 뻗는 여러 암 채널(563c)을 구비하며, 이 암 채널(563c)에 여러 개의 미도시한 구멍이 형성된다.
한편, 제5섹션(15)의 제2챔버(15B)에 있어서의 사이드 컷 노즐(42)의 바로 위에 래미나형 컬렉터(565)가, 바로 아래에 튜뷸러형 디스트리뷰터(566)가 설치되며, 상기 컬렉터(565)에 의해 모여진 액체는 제품으로서 상기 사이드 컷 노즐(42)로부터 배출됨과 동시에, 디스트리뷰터(566)에 의해 제6섹션(16)의 제2챔버(16B)에 분배된다. 그로 인하여, 상기 디스트리뷰터(566)는 개방정압형 집액 파이프(566a), 이 집액 파이프(566a)와 연결되고 칸막이(23)에 대하여 직각 방향으로 뻗는 메인 헤더(566b) 및 이 메인 헤더(566b)와 연결되고 칸막이(23)와 평행(도 36에 있어서의 안쪽방향)으로 뻗는 여러 암 채널(566c)을 구비하며, 이 암 채널(566c)에 여러 개의 미도시한 구멍이 형성된다.
그리고, 도 35에 나타낸 바와 같이, 컬렉터(562, 565)는 탑 본체(70), 이 탑 본체(70)에 있어서의 제5섹션(15)을 분할하여 반원통모양의 제1챔버(15A) 및 제2챔버(15B)를 형성하는 칸막이(23), 상기 탑 본체(70) 및 칸막이(23)의 내주를 따라 집액구(591)를 형성하는 컬렉터 박스(72), 이 컬렉터 박스(72) 상에 가설된 래미나 서포트(592) 및 이 래미나 서포트(592)를 따라 소정의 피치로 서로 평행하게 여러 개 설치된 컬렉터 래미나(593)로 이루어진다. 또한, 이 컬렉터 래미나(593)는 도 37에 나타낸 바와 같이, 상기 컬렉터 박스(72)의 내주벽(72a) 상에 있어서 탑 본체측 부분과 칸막이측 부분의 사이에 가설되고, 칸막이(23)에 대하여 직각 방향으로 이어져 있다.
그리고, 각 컬렉터 래미나(593)는 상단에 절곡부(573)를, 중앙에 경사부(574)를, 하단에 홈부(575)를 구비하고, 상기 절곡부(573) 및 홈부(575)는 모두 수평(도 38에 있어서의 안쪽방향)으로 뻗는다. 또한, 인접하는 각 컬렉터 래미나(593)는 래미나 서포트(592)의 수직 입상(立上)부(592a)에 고정된다.
그리고, 각 절곡부(573)의 선단(先端)은 인접하는 컬렉터 래미나(593)의 경사부(574)와 오버랩되어, 하강하여 온 액체가 반드시 컬렉터 래미나(593)에 닿도록 되어 있다.
또한, 상기 각 홈부(575)의 일단은 집액구(591)의 탑 본체측 부분(591a)을 향하고, 타단은 집액구(591)의 칸막이측 부분(591b)에 높여져 설치되기 때문에, 홈부(575) 내에 모여진 액체는 탑 본체(70)측 또는 칸막이(23)측으로부터 집액구(591)에 보내진다. 그리고, 이 집액구(591)에 있어서의 칸막이(23)로부터 가장 떨어진 부분에는 탑 본체(70)에 피드 노즐(41)이 접속되고 컬렉터 박스(72)에 액발출 노즐(595)이 접속된다. 또한, 상기 컬렉터(565)는, 컬렉터(562)와 동일 구조를 가지며, 상기 집액구(591)에 있어서의 칸막이(23)로부터 가장 떨어진 부분에는 탑 본체(70)에 사이드 컷 노즐(42)이 접속되고 컬렉터 박스(72)에 액발출 노즐(595)이 접속된다.
이 경우, 탑 본체(70), 칸막이(23) 및 컬렉터(562, 565)에 의해 집액장치가 구성된다.
따라서, 제4섹션(14)의 제1챔버(14A)로부터 하강하여 온 액체는 컬렉터(562)의 각 컬렉터 래미나(593)에 닿은 후 경사부(574)를 따라 흐르고, 홈부(575)에 의해 받아들여져 수평방향으로 이동되어 집액구(591)에 보내진다. 그리고, 이 집액구(591)에 있어서 피드 노즐(41)로부터 공급된 원액(M)이 혼입된다. 계속해서, 집액구(591) 내의 액체는 액발출 노즐(595)로부터 뽑아져 디스트리뷰터(563)에 보내지고, 이 디스트리뷰터(563)에 의해 제6섹션(16)의 제1챔버(16A)에 공급된다. 이 경우, 집액구(591) 내에 있어서 피드 노즐(41)로부터 공급된 원액(M)은 상기 컬렉터(562)에 의해 모여진 액체에 혼입되어 디스트리뷰터(563)에 의해 제1챔버(16A)에 공급되기 때문에 액체의 흐름에 치우침이 생기지 않는다.
또한, 제1챔버(16A)로부터 상승하여 온 증기는 상기 컬렉터(562)의 각 컬렉터 래미나(593) 사이의 간극을 지나, 경사부(574)를 따라 탑 본체(70)의 중앙으로부터 떨어진 측으로 기울어져 상승한다. 이때, 상기 증기는 경사부(574)를 따라 원활하게 상승되기 때문에, 컬렉터(562)에 의한 압력손실은 거의 무시할 수 있을 만큼 작아진다. 따라서, 증기의 흐름에 치우침이 생기지 않는다.
이와 같이, 액체 및 증기의 흐름에 치우침이 생기지 않기 때문에 농축부(AR1) 및 회수부(AR2)에 있어서 액체와 증기를 충분히 접촉시킬 수 있다.
그리고, 제4섹션(14)의 제2챔버(14B)로부터 하강하여 온 액체는 동일하게 컬렉터(565)의 각 컬렉터 래미나(593)에 닿은 후 경사부(574)를 따라 흐르고, 홈부(575)에 의해 받아들여져 수평방향으로 이동되어 집액구(591)에 보내진다. 그리고, 이 집액구(591)에 있어서, 일부의 액체가 제품으로서 사이드 컷 노즐(42)로부터 나오게 된다. 계속해서, 집액구(591) 내의 액체는 액발출 노즐(595)을 개재하여 뿜어 나와 디스트리뷰터(566)에 보내지고, 이 디스트리뷰터(566)에 의해 제6섹션(16)의 제2챔버(16B)에 공급된다. 이 경우, 상기 제품을 꺼내기 위하여 제2챔버(15B) 내에 컬렉터 박스(72)를 크게 돌출시킬 필요가 없기 때문에, 컬렉터 박스(72)에 의해 증기의 흐름에 치우침이 생기지 않는다.
또한, 상기 제2챔버(16B)로부터 상승하여 온 증기는 상기 컬렉터(565)의 각 컬렉터 래미나(593) 사이의 간극을 지나 경사부(574)를 따라 상승한다. 이때, 상기 증기는 경사부(574)를 따라 원활하게 상승되기 때문에, 컬렉터(565)의 의한 압력손실은 거의 무시할 수 있을 만큼 작아진다. 따라서, 증기의 흐름에 치우침이 생기지 않는다.
이와 같이, 증기의 흐름에 치우침이 생기지 않기 때문에 회수부(AR4) 및 농축부(AR5)에 있어서 액체와 증기를 충분히 접촉시킬 수 있다.
그런데, 상기 탑 본체(70)는 제5섹션(15)의 부분을 구성하지만, 상기 제4섹션(14)의 부분(이하, 「상측 탑 본체」)과 연결하기 위하여, 상기 탑 본체(70)의 상단에 고리모양의 플랜지(596)가, 상기 상측탑 본체의 하단에 미도시된 고리모양의 플랜지가 모두 지름방향 바깥쪽을 향하여 형성된다. 또한, 상기 플랜지(596) 상면의 내주연부(內周緣部)를 따라 고리모양의 단(段)부착부(597)가 형성되고, 상기 칸막이(23)의 상단 근방에는 지름방향으로, 또한 제1챔버(14A)내 및 제2챔버(14B)내를 향하여 돌출하여 계지부(係止部;23a)가 형성된다.
한편, 컬렉터 박스(72) 상단의 주연(周緣)에는 상기 단부착부(597) 및 계지부(23a)에 대응시켜 계지(係止) 플랜지(72b)가 바깥쪽으로 돌출하여 형성된다.
따라서, 컬렉터(562, 565)를 사전에 일체로 조합하여 두고, 상기 단부착부(597) 및 계지부(23a)에 계지 플랜지(72b)를 맞대어, 컬렉터 박스(72)의 상단과 상기 탑 본체(70) 및 칸막이(23)의 상단을 걸쳐 놓는 구조에 의해 걸어 고정함과 동시에, 상기 플랜지(596) 및 칸막이(23) 상에 개스킷(598)을 두고, 상기 플랜지(596)와 상기 상측 탑 본체의 플랜지를 미도시된 볼트 등으로 연결함으로써, 컬렉터(562, 565)를 탑 본체(70)에 용이하게 장착할 수 있다. 또한, 상기 개스킷(598)은 탑 본체(70) 및 칸막이(23)에 대응하는 형상을 가지며, 콜렉터 박스(72)의 상단을 밀봉함과 동시에, 탑 본체(70)에 대응하여 원주방향으로 뻗는 부분(598a) 및 칸막이(23)에 대응하여 지름방향으로 뻗는 부분(598b)로 이루어진다.
이 경우, 컬렉터(562, 565)를 결합형 증류탑(10) 내에 있어서 조립할 필요가 없기 때문에 작업을 간소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지에 기하여 여러가지 변형시키는 것이 가능하며, 이들을 본 발명의 범위로부터 배제한 것은 아니다.
본 발명은 여러 성분을 함유하는 원액으로부터 각 성분을 증류에 의해 분리시켜 제품을 얻기 위한 증류장치에 이용할 수 있다.

Claims (21)

  1. (a) 탑 본체와,
    (b) 이 탑 본체 내(內)를 분할하여, 서로 인접하는 제1챔버 및 제2챔버를 형성하는 칸막이와,
    (c) 상기 탑 본체내에 적어도 제1∼제3성분을 함유하는 원액을 공급하는 피드 노즐(feed nozzle)과,
    (d) 위쪽에 농축부(濃縮部)를, 아래쪽에 회수부(回收部)를 구비한 제1증류부(蒸溜部)와,
    (e) 적어도 일부가 상기 탑 본체의 탑정(塔頂)과 인접하여 설치되고, 윗쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제2증류부와,
    (f) 적어도 일부가 상기 탑 본체의 탑저(塔底)와 인접하여 설치되고, 윗쪽에 농축부를 아래쪽에 회수부를 구비한 제3증류부와,
    (g) 상기 제1성분을 배출하는 제1배출수단과,
    (h) 상기 제2성분을 배출하는 제2배출수단과,
    (i) 상기 제3성분을 배출하는 제3배출수단을 가짐과 동시에,
    (j) 상기 칸막이는 편심(偏心)되어, 제1챔버의 단면적과 제2챔버의 단면적이 다른 것을 특징으로 하는 증류장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1증류부는 상기 탑 본체의 중앙에 설치되는 증류장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 피드 노즐은 제1증류부 내에 원액을 공급하는 증류장치.
  4. 제 1항에 있어서, 적어도 상기 제1증류부에 있어서의 농축부 및 회수부에 각각 충전물이 독립하여 설치되는 증류장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    (a) 상기 제2증류부는, 상기 제1증류부의 상단(上端)에 접속되며, 이 상단으로부터 위쪽으로 형성된 농축부 및 상기 상단으로부터 아래쪽으로 형성되고 또한 칸막이를 개재하여 상기 제1증류부의 농축부와 인접하는 회수부를 구비하며,
    (b) 상기 제3증류부는, 상기 제1증류부의 하단(下端)에 접속되며, 이 하단으로부터 위쪽으로 형성되고 또한 칸막이를 개재하여 상기 제1증류부의 회수부와 인접하는 농축부 및 상기 하단으로부터 아래쪽으로 형성된 회수부를 구비하는 증류장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 피드 노즐은 상기 제1증류부에 있어서의 농축부와 회수부의 사이에 설치되는 증류장치.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 각 충전물은 서로 종류가 같은 증류장치.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 각 충전물은 서로 종류가 다른 증류장치.
  9. (a) 탑 본체와,
    (b) 상기 탑 본체 내(內)를 분할하여, 서로 인접하는 제1챔버 및 제2챔버를 형성하는 칸막이와,
    (c) 상기 탑 본체 내에 적어도 제1∼제3성분을 함유하는 원액을 공급하는 피드 노즐과,
    (d) 위쪽에 농축부(濃縮部)를, 아래쪽에 회수부(回收部)를 구비한 제1증류부(蒸溜部)와,
    (e) 적어도 일부가 상기 탑 본체의 탑정(塔頂)과 인접하여 설치되고, 윗쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제2증류부와,
    (f) 적어도 일부가 상기 탑 본체의 저면과 인접하여 설치되고, 윗쪽에 농축부를 아래쪽에 회수부를 구비한 제3증류부와,
    (g) 상기 제1성분을 배출하는 제1배출수단과,
    (h) 상기 제2성분을 배출하는 제2배출수단과,
    (i) 상기 제3성분을 배출하는 제3배출수단을 가짐과 동시에,
    (j) 상기 제2증류부의 농축부로부터 하강(下降)하는 액체는 상기 1증류부의 농축부 및 제2증류부의 회수부에, 증류조건에 기하여 미리 설정된 분배비율로 분배되고,
    (k) 상기 제1증류부에 있어서 발생하는 압력손실과, 상기 제2증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부에 있어서 발생하는 압력손실이 동등하게 되는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  10. 제 9항에 있어서, 적어도 상기 제1증류부, 상기 제2증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부에 있어서의 F팩터는 강하액량(降下液量)에 의한 영향을 받지 않는 압력손실이 얻어지는 값으로 설정되는 증류장치.
  11. 제 9항에 있어서, 적어도 상기 제1증류부, 상기 제2증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부에 있어서의 F팩터는 1.0∼1.5인 증류장치.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 각 압력손실은 이론단수, 단위높이당 평형이론단수 및 단위높이당 압력손실에 기하여 산출되는 증류장치.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 제1증류부의 단면적과 상기 제2증류부의 회수부 및 제3증류부의 농축부의 단면적의 비율이 상승증기량에 대응하여 설정되는 증류장치.
  14. (a) 탑 본체와,
    (b) 상기 탑 본체 내(內)를 분할하여, 서로 인접하는 여러 챔버를 형성하는 칸막이와,
    (c) 상기 탑 본체 내에 설치되고, 위쪽으로부터 하강하는 액체를 모으는 컬렉터(collector)와,
    (d) 상기 컬렉터에 의해 모여진 액체를 상기 각 챔버에 서로 다른 분량씩 분배하는 채널형 디스트리뷰터(distributor)를 가지는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  15. (a) 탑 본체와,
    (b) 상기 탑 본체 내를 분할하여, 서로 인접하는 여러 챔버를 형성하는 칸막이와,
    (c) 상기 탑 본체 내에 설치되고, 윗쪽으로부터 하강하는 액체를 모으는 컬렉터와,
    (d) 상기 컬렉터에 의해 모여진 액체를 상기 각 챔버에 서로 다른 분량씩 분배하는 개방정압(開放靜壓) 튜블러(tubular)형 디스트리뷰터를 가지는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  16. (a) 탑 본체와,
    (b) 상기 탑 본체 내를 분할하여, 서로 인접하는 여러 챔버를 형성하는 칸막이와,
    (c) 상기 탑 본체 내에 설치되고, 윗쪽의 하나의 챔버로부터 하강하는 액체를 모으는 컬렉터와,
    (d) 상기 컬렉터에 의해 모여진 액체를 아래쪽의 하나의 챔버에 분배하는 개방정압 튜뷸러형 디스트리뷰터를 가짐과 동시에,
    (e) 상기 디스트리뷰터는 컬렉터로부터 배출된 액체를 저장하여 소정의 수두(水頭)를 형성하는 개방정압형 스탠드 파이프, 액체를 칸막이에 대하여 직각 방향으로 분배하는 제1분배부 및 이 제1분배부와 연결하여 설치되고, 제1분배부에 의해 분배된 액체를 칸막이와 동일한 방향으로 분배하는 제2분배부를 구비하고,
    (f) 상기 제1분배부는 상기 챔버의 중앙으로부터 칸막이 측으로 편심시킨 위치에 있어서 상기 스탠드 파이프의 하단과 연결되는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  17. (a) 탑 본체와,
    (b) 상기 탑 본체를 분할하여, 서로 인접하는 여러 챔버를 형성하는 칸막이와,
    (c) 상기 탑 본체 및 칸막이의 내주(內周)를 따라 집액구(集液溝)를 형성하는 컬렉터 박스(collector box)와,
    (d) 상기 컬렉터 박스 상에 소정의 피치(pitch)로 서로 평행하게 여러 개 설치된 컬렉터 래미나(collector lamina)를 가짐과 동시에,
    (e) 상기 각 컬렉터 래미나는 경사부 및 홈부를 가지고, 각 홈부의 일단(一端)은 상기 집액구의 탑 본체측 부분에, 타단(他端)은 상기 집액구의 칸막이측 부분에 높이게 되는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  18. (a) 탑 본체와,
    (b) 상기 탑 본체 내를 분할하여, 서로 인접하는 여러 챔버를 형성하는 칸막이와,
    (c) 상기 탑 본체 및 칸막이의 내주를 따라 집액구를 형성하는 컬렉터 박스와,
    (d) 상기 컬렉터 박스 상에 소정의 피치로 서로 평행하게 여러 개 설치된 컬렉터 래미나를 가짐과 동시에,
    (e) 상기 컬렉터 박스 및 컬렉터 래미나는 미리 조립되어, 상기 컬렉터 박스와 상기 탑 본체 및 칸막이가 걸어 고정(係止)되는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    (a) 상기 컬렉터 박스의 상단은 상기 탑 본체 및 칸막이와 걸어 고정되고,
    (b) 상기 탑 본체의 플랜지와 칸막이는 탑 본체 및 칸막이에 대응하는 형상을 가지는 개스킷(gasket)에 의해 밀봉(seal)되는 증류장치.
  20. (a) 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제1증류부, 적어도 일부가 탑정(塔頂)과 인접하여 설치되며, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제2증류부, 적어도 일부가 탑 저면과 인접하여 설치되고, 위쪽에 농축부를, 아래쪽에 회수부를 구비한 제3증류부 및 제1챔버의 단면적과 제2챔버의 단면적을 다르게 하기 위하여 편심하여 설치된 칸막이를 구비하는 탑 본체 내에 적어도 제1∼3성분을 함유하는 원액을 공급하고,
    (b) 상기 제2증류부의 상단에 접속된 응축기(凝縮器)에 의해 소정 성분의 증기를 응축하고,
    (c) 상기 제3증류부의 하단에 접속된 증발기(蒸發器)에 의해 소정 성분의 액체를 증발시키고,
    (d) 상기 제2증류부의 상단에 있어서 제1성분이 풍부한 액체를, 상기 제3증류부의 하부에 있어서 제3성분이 풍부한 액체를, 상기 칸막이가 설치된 부분에 있어서 제2성분이 풍부한 액체를 얻는 것을 특징으로 하는 증류방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 제1성분은 제2성분보다, 이 제2성분은 제3성분보다 비등점이 낮은 증류방법.
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