KR20130097667A - 열 교환형 증류 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 증류 장치는, 농축탑 (1) 과, 농축탑 (1) 에서 보아 상방에 배치된 회수탑 (2) 과, 회수탑 (2) 의 소정의 단에 설치되고, 위에서 흘러 내려 온 액을 저류하는 액저류부 (2e) 와, 액저류부 (2e) 내에 배치된 열 교환기 (8) 와, 농축탑 (1) 내의 증기를 회수탑 (2) 의 열 교환기 (8) 로 도입하는 제 2 배관 (29) 과, 회수탑 (2) 의 열 교환기 (8) 에서 유출되는 유체를 농축탑 (1) 에 도입하는 제 3 배관 (30) 을 구비한다. 또한, 제 3 배관 (30) 의 하류측에는, 농축탑 (1) 내의 압력보다 낮은 압력을 갖는 플레어 라인 (43) 이 연결되어 있다. 상기 증류 장치는, 제 3 배관 (30) 을 통과하여 농축탑 (1) 내를 향하는 제 1 흐름을, 제 3 배관 (30) 으로부터 분기되고, 보다 저압측인 배관 (44) 을 향하는 제 2 흐름으로 전환 가능하게 되어 있다. 이러한 장치 구성에 의해, 추가적인 에너지 절약화와 제조 비용 저감을 도모할 수 있다. 추가적인 에너지 절약화와 제조 비용 저감을 도모할 수 있다.

Description

열 교환형 증류 장치{HEAT INTEGRATED DISTILLATION APPARATUS}

본 발명은 많은 공업 프로세스에서 널리 적용되는 증류 조작을 실시하기 위한 증류 장치로서, 특히 열 교환형 증류 장치에 관한 것이다.

증류 분리 조작은 공업 프로세스 전반에서 널리 적용되고 있는데, 소비 에너지가 매우 큰 단위 조작이기도 하다. 그 때문에 산업계에서는 소비 에너지를 저감할 수 있는 증류 장치의 연구가 이루어져 왔다. 이러한 연구에 있어서, 에너지 절약성이 우수한 증류 장치로서 내부 열 교환형 증류탑 (Heat Integrated Distillahon Column, 이하, HIDiC 라 칭한다) 개발이 실시되고 있다.

이 HIDiC 의 기본적인 시스템은 도 1 에 나타내는 바와 같이, 농축부 (고압부) 와 회수부 (저압부) 를 분리하여 늘어놓은 구조를 가지고 있다. 그리고, 농축부의 조작 온도가 회수부의 조작 온도보다 높아지도록, 농축부의 조작 압력을 회수부의 조작 압력보다 높게 한다. 이것에 의해, 양자간에 열 교환면이 있으면 농축부로부터 회수부로 열 이동이 생기기 때문에, 리보일러에 있어서의 입열량을 작게 할 수 있다. 또 농축부의 열은 회수부로 이동하기 때문에, 콘덴서에 있어서의 제열량도 작게 할 수 있다. 따라서, 에너지 효율이 매우 높은 증류 장치가 된다.

이러한 HIDiC 를 실용화하기 위해서, 이중관 구조, 즉 농축부를 형성하는 내관과 회수부를 형성하는 외관으로 이루어지는 이중관 구조의 증류 장치가 수많이 제안되었다 (예를 들어, 특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 2004-16928호 참조). 이러한 구성은 농축부 (내관) 로부터 회수부 (외관) 로 열 이동이 생기기 때문에, 리보일러에 있어서의 입열량과 콘덴서에 있어서의 제열량을 작게 할 수 있다고 여겨지고 있다.

그러나, 특허문헌 1 에 개시되는 바와 같이 농축부와 회수부가 이중관 구조로 구축된 열 교환형 증류 장치는, 다음의 1) ∼ 6) 과 같은 과제가 있었다.

1) 제품의 사이드 컷을 실시할 수 없다. 사이드 컷이란, 최종 유출 (留出) 제품을 얻을 때까지의 증류 프로세스 도중의 것을 중간 유분 (留分) 제품으로서 추출하는 것을 말한다.

특허문헌 1 에 기재된 증류 장치에서는 이중관 구조의 튜브 유닛군이 서로 접하도록 배치되어 있다. 게다가, 외관 및 내관에는 규칙 충전물이 충전되어 있다. 이 때문에, 각 튜브 유닛의 내관에서 중간 유분 제품을 꺼낼 수 있도록 배관을 형성할 수 없고, 그 결과 사이드 컷을 할 수 없다.

2) 원료 공급단 (피드단) 의 최적화를 실시할 수 없다. 이중관 구조로 구축된 농축부와 회수부에서는 각각의 충전 높이가 동일해져, 농축부와 회수부의 단수 (段數) 를 자유롭게 설정할 수 없기 때문다.

3) 공급하는 원료에 따라 공급 위치를 바꿀 수 없다. 상기 2) 에서 서술한 바와 같이 피드단 위치를 자유롭게 설정할 수 없는 구조이기 때문이다.

4) 멀티 피드 (복수 원료 스트림의 수용) 에 대응할 수 없다. 상기 1) 에서 서술한 바와 같이 이중관 도중에 원료를 공급할 수 없는 구조이기 때문이다.

5) 장치의 메인터넌스가 곤란하다. 상기 1) 에서 서술한 바와 같이 규칙 충전물을 사용한 튜브 유닛이 서로 인접해서 밀집되어 있기 때문에, 원하는 튜브 유닛에 완전히 액세스할 수 없어, 그들의 메인터넌스를 실시할 수 없다.

6) 이중관을 이용한 농축부와 회수부 사이의 열 교환량은, 전열 면적에 대해 설계상의 자유도가 없이 증류탑의 온도 분포에만 의존하고 있어, 장치 설계에 있어서 열 교환량의 설계상의 자유도가 작다.

농축부와 회수부 사이에서의 열 교환량 Q 는, 총괄 전열 계수를 U 로 하고, 전열 면적을 A 로 하고, 농축부와 회수부 사이의 온도차를 ΔT 로 하면, Q=U×A×ΔT 로 나타난다. 이중관 구조를 사용한 HIDiC 에서는 내관 벽면이 전열 면적이 된다. 이 전열 면적은 이중관의 형태로 정해지는 고정값이다. 또 총괄 전열 계수에 대해서도, 전열 구조 및 열 교환을 실시하는 유체 물성에 따라 정해지는 고정값이다. 그 때문에, 상기의 열 교환량 산출식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 설계시의 열 교환량은, 농축부와 회수부의 조작 압력에 의해 변화되는, 농축부와 회수부 사이의 온도차에 의해 변경될 수 있을 뿐이다.

상기 서술한 바와 같은 과제를 해결할 수 있는 열 교환형 증류 장치로서, 본 출원인은 특허문헌 2 : 일본 특허 제4803470호의 장치를 제안하고 있다.

도 2 는 특허문헌 2 에 개시되어 있는 증류 장치의 일례를 나타내고 있다. 이 증류 장치는, 농축탑 (1) 과, 농축탑 (1) 보다 높은 위치에 배치된 회수탑 (2) 과, 회수탑의 탑꼭대기부 (2c) 와 농축탑의 탑바닥부 (1a) 를 연통시키는 제 1 배관 (23) 과, 회수탑의 탑꼭대기부 (2c) 로부터의 증기를 압축하여 농축탑의 탑바닥부 (1a) 로 보내는 컴프레서 (4) 를 구비하고 있다. 또한 증류 장치는, 회수탑 (2) 의 소정의 단 (段) 에 설치되고, 위에서 흘러 내려 온 액을 저류하는 액저류부 (2e) 와, 액저류부 (2e) 내에 배치된 열 교환기 (8) 와, 농축탑 (1) 의 소정의 위치에 설치된, 상하의 단을 완전히 나누는 칸막이판 (16) 과, 칸막이판 (16) 의 하측의 증기를 열 교환기 (8) 로 도입하는 제 2 배관 (29) 과, 제 2 배관 (29) 을 경유하여 열 교환기 (8) 로 도입된 후에 열 교환기 (8) 에서 유출되는 유체를 칸막이판 (16) 의 상측으로 도입하는 제 3 배관 (30) 을 구비하고 있다.

이러한 구성에서는, 제 2 배관 (29) 에 의해 농축탑 (1) 내의 증기를 탑 밖으로 발출하고, 그 증기를 회수탑 (2) 내의 열 교환기 (8) 에 도입하여, 농축탑 (1) 의 열을 회수탑 (2) 으로 이동시킬 수 있다. 또, 농축탑 (1) 내의 고압 증기는 회수탑 (2) 에 있어서의 열 교환기 (8) 를 향하여 제 2 배관 (29) 을 상승시키고, 이로 인해, 열 교환기 (8) 내에서 일부 혹은 모두 응축된 유체가 회수탑 (2) 으로부터 탑 밖의 제 3 배관 (30) 으로 밀려 나온다. 따라서, 이 구성은 회수탑 (2) 으로부터 연직 방향 하측의 농축탑 (1) 으로의 액송에 있어서 펌프 등의 압송 수단을 필요로 하지 않는다.

또한, 상기의 제 2 배관 (29), 제 3 배관 (30), 및 열 교환기 (8) 를 이용하여 농축탑 (1) 으로부터 회수탑 (2) 으로 열 이동을 실시하는 장치 구성은, 이러한 열 이동의 구성을 구비하지 않은 증류 장치와 비교하여, 농축탑 (1) 의 탑꼭대기부에 장착되는 콘덴서 (7) 의 제열량을 작게 할 수 있고, 또, 회수탑 (2) 의 탑바닥부에 장착되는 리보일러 (3) 의 입열량도 작게 할 수 있다. 그 결과, 에너지 효율이 좋은 증류 장치를 제공할 수 있다.

또, 농축탑 (1) 이나 회수탑 (2) 을, 보통의 증류 장치와 동일한 선반단 탑부 혹은 충전 탑부를 이용하여 구성할 수 있으므로, 사이드 컷이나 멀티 피드의 실시에 있어서 장치를 특별히 개량하지 않고 대응하는 것이 가능하고, 또 장치의 메인터넌스도 용이하게 가능하다. 또 동일한 이유로, 농축탑이나 회수탑의 단수 설정에는 자유도가 있으며, 원료 공급단의 최적화도 실시할 수 있다.

또한, 전열 면적이 설계의 자유도가 되므로, 탑 내 온도차에 의존하지 않고 열 교환량을 결정할 수 있다.

이상과 같이 특허문헌 2 에 기재된 장치예 (도 2) 에 의하면, 에너지 효율 이 우수하고, 사이드 컷의 실시나 피드단 위치의 설정에 대해 용이하게 대응할 수 있으며, 장치의 메인터넌스도 용이해진다. 또, 본 발명의 장치는 설계의 자유도가 늘어난 장치 구조가 되므로, 사용자측에게 수용되기 쉽다.

그런데, 본 발명자들은, 도 2 에 나타낸 증류 장치와 관련하여, 에너지 효율의 추가적인 향상, 그리고 사용자측에 의해 수용되기 쉬운 구조를 목표로 하고 있어, 당해 증류 장치에는 아직 해결해야 할 과제가 있다고 생각하였다.

즉, 도 2 에 나타낸 증류 장치에서는, 다음과 같은 수법이 채용되고 있다. 농축탑 (1) 의 임의의 단에 탑 내를 상하로 완전히 나누는 칸막이판 (16) 이 설치되어 있고, 칸막이판 (16) 아래로부터 올라오는 모든 증기가 탑 밖으로 배관 (29) 에서 발출되고, 회수탑 (2) 의 임의의 단에 설치된 튜브 번들형 열 교환기 (8) 에 공급되어, 여기서 열 교환이 실시된다. 그 후, 열 교환 (8) 에 있어서 일부 또는 전부가 응축된 유체가 탑 밖의 배관 (30) 을 경유하여 농축탑 (1) 내의 칸막이판 (16) 의 상부로 중력에 의해 흐르고, 응축된 액은 다른 배관 (31) 을 경유하여 칸막이판 (16) 아래로 이동 가능하게 되어 있다. 이러한 유체 순환이 실시되고 있다.

이러한 수법에서는 농축탑 (1) 내의 모든 증기를 탑 밖으로 발출하는 것을 상정하고 있으므로, 농축탑 (1) 내에 칸막이판 (16) 을 설치함과 함께, 회수탑 (2) 으로부터 칸막이판 (16) 위로 보내져 온 응축액을 다시 탑 밖의 배관 (31) 및 제어 밸브 (17) 를 경유하여 칸막이판 (16) 의 하측 공간으로 이동시킨다는 복잡한 구조로 되어 있었다. 따라서, 구조 및 제조 비용의 관점에서 개선해야 할 과제가 있다.

또, 칸막이판 (16) 의 상하에서 압력 손실을 줌으로써, 열 교환기 (8) 의 튜브를 통과하는 유체의 구동력을 얻기 위해서, 그 칸막이판 (16) 의 상하의 압력 손실만큼, 농축부 (1) 의 탑꼭대기부 (1c) 의 압력보다 탑바닥부 (1a) 의 압력을 크게 할 필요가 있다. 이로 인해, 그 탑바닥부 (1a) 측의 압력을 올리는 만큼, 컴프레서 (4) 의 출구측 압력을 높게 설정할 (즉 압축비를 크게 할) 필요가 생긴다. 따라서, 에너지 절약성의 관점에서도 개선할 수 있는 과제가 있었다.

본 발명의 목적은, 상기 서술한 과제를 감안하여, 상기 증류 장치 (도 2) 에 있어서, 추가적인 에너지 절약화와 제조 비용 저감을 도모하는 데에 있다.

본 발명의 일 양태에 의한 열 교환형 증류 장치는, 농축부로서 이용되는 탑체이며 선반단 탑부 혹은 충전 탑부를 갖는 농축탑과, 농축탑에서 보아 상방에 배치되고, 회수부로서 이용되는 탑체이며 선반단 탑부 혹은 충전 탑부를 갖는 회수탑과, 회수탑의 탑꼭대기부와 농축탑의 탑바닥부를 연통시키는 제 1 배관과, 제 1 배관에 설치되고, 회수탑의 탑꼭대기부로부터의 증기를 압축하여 농축탑의 탑바닥부로 보내는 컴프레서를 구비한다. 또한 이 양태는, 회수탑의 소정의 단에 설치되고, 위에서 흘러 내려 온 액을 저류하는 액저류부와, 회수탑의 액저류부 내에 배치된 열 교환기와, 농축탑 내의 증기를 회수탑의 열 교환기로 도입하는 제 2 배관과, 회수탑의 열 교환기에서 유출되는 유체를 농축탑에 도입하는 제 3 배관을 구비한다.

이러한 양태에서는, 제 2 배관에 의해 농축탑 내의 증기 일부를 탑 밖으로 발출하고, 그 증기를 회수탑 내의 열 교환기 (8) 에서 전체 응축시킴으로써 발생하는 체적 수축이 구동력이 되어, 농축탑에서 회수탑으로, 나아가서는 회수탑에서 농축탑으로의 유체 흐름이 얻어진다. 그 때문에, 펌프 등의 압송 수단은 불필요하다.

본 발명에서는 농축탑 (1) 내에 상하의 단을 완전히 나누는 판 (도 2 의 칸막이판 (16)) 이 설치되어 있지 않기 때문에, 도 2 의 증류 장치와 비교하여, 당해 칸막이판을 설치하지 않는 만큼, 농축부 내에 있어서의 압력 손실을 저감할 수 있고, 농축탑의 탑바닥측 압력을 낮추어 컴프레서의 출구측 압력을 낮게 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 에너지 절약성이 향상된다. 또 구조도 단순화할 수 있다.

또 상기와 같이 제 2 및 제 3 배관 그리고 열 교환기를 이용하여 농축탑으로부터 회수탑으로 열 이동을 실시하는 장치 구성은, 이러한 열 이동의 구성을 구비하지 않은 증류 장치와 비교하여, 농축탑의 탑꼭대기부에 장착되는 콘덴서의 제열량을 작게 할 수 있고, 또, 회수탑의 탑바닥부에 장착되는 리보일러의 입열량도 작게 할 수 있다. 그 결과, 에너지 효율이 매우 높은 증류 장치를 제공할 수 있다.

또, 농축탑이나 회수탑이 보통의 증류 장치와 동일한 선반단 탑부 혹은 충전 탑부를 이용하여 구성되는 것이므로, 사이드 컷이나 멀티 피드의 실시에 있어서 장치를 특별히 개량하지 않고 대응하는 것이 가능하고, 또 장치의 메인터넌스도 용이하게 가능하다. 또 동일한 이유로, 농축탑이나 회수탑의 단수 설정에는 자유도가 있으며, 원료 공급단의 최적화도 실시할 수 있다.

또한, 전열 면적이 설계의 자유도가 되므로, 탑 내 온도차에 의존하지 않고 열 교환량을 결정할 수 있다.

게다가 본 발명에서는, 제 3 배관의 하류측에는 농축탑 내의 압력보다 낮은 압력을 갖는 라인이 연결되어 있다. 그리고, 제 3 배관을 통과하여 농축탑 내 를 향하는 제 1 흐름을, 제 3 배관으로부터 분기되어 상기 라인을 향하는 제 2 흐름으로 전환 가능하게 되어 있다.

이것은, 증류 장치 가동 중의 압력 변동 등이 원인으로, 농축탑 내에 삽입된 제 3 배관의 단부 (端部) 내가 액으로 봉해져 있지 않은 상태가 되면, 농축탑 내로부터 제 3 배관 내로 증기가 유입되는 경우가 있어, 상기한 제 1 흐름이 구축되지 않게 될 우려가 있기 때문이다. 그 때문에, 농축탑 내에 삽입된 제 3 배관의 단부 내가 액으로 봉해져 있지 않은 경우에는, 제 3 배관에 설치되는 밸브를 닫아 제 1 흐름에서 제 2 흐름으로 전환함으로써, 농축탑 내의 압력보다 낮은 압력을 갖는 라인과 농축탑 내 사이의 압력차에 의해 강제적으로 농축탑 내로부터 제 2 배관 내로 증기를 인입하여, 제 3 배관 내에 응축액을 저류할 수 있어, 상기한 제 1 흐름을 재생할 수 있다. 이로 인해, 안정된 사이드 열 교환에 있어서의 순환이 확립된다.

본 발명에 의하면, 에너지 효율이 우수하고, 사이드 컷의 실시나 피드단 위치의 설정에 대해 용이하게 대응할 수 있고, 장치의 메인터넌스도 용이해진다. 또, 본 발명의 장치는 설계의 자유도가 늘어난 장치 구조가 되기 때문에, 사용자측에게 수용되기 쉽다.

또한, 본 발명에 의하면, 추가적인 에너지 절약화와 제조 비용 저감을 도모할 수 있다.

도 1 은 HIDiC 의 기본적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 2 는 본원에 관련되는 선행 기술인 특허문헌 2 에 개시되어 있는 증류 장치의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 의한 열 교환형 증류 장치의 전체 구성도이다.
도 4 는 도 3 의 회수탑 내에 배치된 튜브 번들형 열 교환기의 주변 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명의 열 교환형 증류 장치는, 연직 방향으로 연장되는 회수부로서 이용되는 탑체 (회수탑) 와, 연직 방향으로 연장되는 농축부로서 이용되는 탑체 (농축탑) 를 따로따로 설치하고, 회수탑을 농축탑보다 높은 위치에 배치한 점을 기본적 특징으로 한다. 또한, 내부 열 교환형이 아닌 보통의 증류 장치는, 연직 방향으로 지어지는 탑으로서 탑바닥부와 선반단 탑부 (혹은 충전 탑부) 와 탑꼭대기부로 구성된 탑으로 이루어지고, 선반단 탑부 (혹은 충전 탑부) 는 원료 공급 위치를 경계로 상측이 농축부, 하측이 회수부로 되어 있어, 본 발명의 열 교환형 증류 장치와는 완전히 상이한 것이다. 특히, 이하에 설명하는 형태는, 본 출원인이 제안하고 있는 도 2 의 증류 장치에 개량을 추가한 것이다. 따라서, 도 2 에 나타낸 구성 요소와 동일한 것에는 동일한 부호를 사용하여 본 발명의 실시형태예를 설명하기로 한다.

도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 의한 열 교환형 증류 장치의 전체 구성도를 나타내고 있다. 본 실시형태의 열 교환형 증류 장치는, 농축탑 (1) 과, 농축탑 (1) 보다 높은 위치에 배치된 회수탑 (2) 을 가지고 있다. 농축탑 (1) 은, 탑바닥부 (1a) 와, 선반단 탑부 (혹은 충전 탑부) (1b) 와, 탑꼭대기부 (1c) 로 구성되어 있다. 회수탑 (2) 도 또한, 탑바닥부 (2a) 와, 선반단 탑부 (혹은 충전 탑부) (2b) 와, 탑꼭대기부 (2c) 로 구성되어 있다.

선반단 탑부 (1b, 2b) 는 탑 내에 수평인 선반판 (트레이) 을 여러 개 설치한 타입의 탑이다. 각각의 선반판 사이의 공간을 단이라고 한다. 각 단에서는 기액 접촉이 촉진되어 물질 이동이 실시되는 결과, 보다 휘발성이 높은 성분이 풍부해진 기상은 위의 단으로 보내지고, 보다 휘발성이 낮은 성분이 풍부해진 액상은 아래의 단으로 흘러 떨어지고, 거기서 또 새로운 액상 혹은 기상과 기액 접촉을 실시하여 물질 이동이 실시된다. 이와 같이 하여 탑의 상부의 단일수록 휘발성이 높은 성분이 풍부하고, 하부의 단일수록 휘발성이 낮은 성분이 풍부하게 되어, 증류 조작이 실시된다.

선반단 탑부로 치환 가능한 충전 탑부는 중공의 탑 내에 무엇인가 충전물을 넣고, 그 표면에서 기액 접촉을 실시하게 하는 타입의 탑이다. 선반단 탑부와 동일한 기구에 의해 탑의 상부일수록 휘발성이 높은 성분이 풍부하고, 하부일수록 휘발성이 낮은 성분이 풍부하게 되어, 증류 조작이 실시된다.

또한, 도 3 에서는 선반단 탑부 (1b, 2b) (혹은 충전 탑부) 의 내부가 공백으로 그려져 있지만, 실제로는 상기와 같은 구조가 채택되어 있다.

또한 농축탑 (1) 및 회수탑 (2) 의 각각에 대하여 개별적으로 상세히 서술한다. 먼저, 회수탑 (2) 을 설명한다.

회수탑 (2) 의 탑바닥부 (2a) 의 외측에는, 리보일러라고 불리는 가열기 (3) 가 배치 형성되어 있고, 배관 (21) 이 탑바닥부 (2a) 의 공간 하부로부터 가열기 (3) 를 통해서 탑바닥부 (2a) 의 공간 상부로 설치되어 있다. 따라서, 회수탑 (2) 의 선반단 탑부 (2b) (혹은 충전 탑부) 를 흘러내린 액은 탑바닥부 (2a) 에 저류되고, 이 액의 일부는 가열기 (3) 에서 가열되어 증기가 되어 탑바닥부 (2a) 로 되돌아간다. 또, 탑바닥부 (2a) 의 가장 바닥으로부터, 휘발성이 낮은 성분이 풍부한 관출액 (罐出液) 이 배관 (22) 을 통해서 얻어진다.

회수탑 (2) 의 탑꼭대기부 (2c) 는 원료를 공급하는 위치로 되어 있다. 탑꼭대기부 (2c) 는 컴프레서 (4) 를 통해서 농축탑 (1) 의 탑바닥부 (1a) 에 배관 (23) 을 이용하여 접속되어 있다. 본 실시형태에서는 원료 공급 위치를 회수탑 (2) 의 탑꼭대기부 (2c) 로 했지만, 원료 공급 위치는 선반단 탑부 (2b) (혹은 충전 탑부) 의 임의의 단이어도 된다. 또, 원료가 복수 존재하는 경우라도, 원료 공급 위치는 회수탑 (2) 의 탑꼭대기부 (2c) 와, 그 이외의 임의의 단 (농축탑 (1) 의 단도 포함한다) 으로 하는 것도 가능하다.

또한, 선반단 탑부 (2b) (혹은 충전 탑부) 는 소정의 단에 액저류부 (2e) 를 가지고 있다. 액저류부 (2e) 는, 위에서 흘러 내려 온 액 (10) 을 액저류용 선반판 (15) 상에 소정량 저류(貯留)하고, 액저류용 선반판 (15) 으로부터 흘러넘친 액은 아래로 떨어뜨릴 수 있도록 되어 있다. 액저류부 (2e) 에 저류된 액 중에 튜브 번들형 열 교환기 (8) 의 U 튜브가 침지되도록, 액저류부 (2e) 내에 튜브 번들형 열 교환기 (8) 가 삽입되어 있다 (도 4 참조). 튜브 번들형 열 교환기 (8) 의 U 형 튜브에 있어서의 평행한 튜브 부분 (8a, 8b) 은 액저류용 선반판 (15) 을 따라 배치되어 있다.

그 평행한 튜브 부분 중 상측 튜브 부분 (8b) 에는, 농축탑 (1) 으로부터 회수탑 (2) 으로 유체를 보내는 배관 (29) (도 3 참조) 이 접속되어 있다. 하측 튜브 부분 (8a) 에는, 회수탑 (2) 으로부터 농축탑 (1) 으로 유체를 보내는 배관 (30) (도 3 참조) 이 접속되어 있다.

여기서, 액저류부 (2e) 에서의 열 교환기 (8) 의 작용에 대하여 설명한다.

본 장치에서는 회수탑 (2) 의 탑꼭대기부 (2c) 로부터 선반단 혹은 충전층을 통과하여 원료액이 흘러 내려 온다. 이 액 (10) (도 4 참조) 은, 임의의 단에 설치된 액저류용 선반판 (15) 상의 액저류부 (2e) 에 저류된다. 액저류부 (2e) 내에는 튜브 번들형 열 교환기 (8) 의 U 형 튜브가 배치되어 있기 때문에, 그 U 형 튜브는 액 (10) 중에 침지되게 된다. 이 상태에 있어서 열 교환기 (8) 의 상측 튜브 부분 (8b) 에 농축탑 (1) 내의 고온 증기가 배관 (29) 에 의해 도입되었을 때, 고온 증기가 이동하는 튜브 부분 (8b, 8a) 의 외벽과 접하고 있는 액 (10) 의 일부는 가열되어 증기 (18) 가 되어 상승한다 (도 4 참조). 또 배관 (29) 으로부터 열 교환기 (8) 에 도입된 고온 증기는, 상측 튜브 부분 (8b) 으로부터 하측 튜브 부분 (8a) 을 이동함에 따라 응축되어, 기상에서 액상으로 바뀐다. 이 액체는 탑 밖의 배관 (30) 을 통과하고, 후술하는 바와 같이 농축탑 (1) 의 소정의 단에 도입된다 (도 3 참조).

즉, 농축탑 (1) 에 있어서의 소정의 단부터 회수탑 (2) 에 있어서의 열 교환기 (8) 의 상측 튜브 부분 (8b) 까지를 배관 (29) 으로 접속하고, 회수탑 (2) 에 있어서의 열 교환기 (8) 의 하측 튜브 부분 (8a) 부터 농축탑 (1) 에 있어서의 상기 소정의 단까지를 배관 (30) 으로 접속하고 있으므로, 농축탑 (1) 내의 고압 증기는 회수탑 (2) 에 있어서의 열 교환기 (8) 를 향하여 배관 (29) 을 상승한다. 이 때, 농축탑 (1) 내를 그대로 위를 향하는 흐름에 비하여 배관 (29) 에서는 압력 손실 (흐름 저항) 이 크기 때문에, 증기는 배관 (29) 내를 잘 흐르지 못한다. 그러나, 제 3 배관 (30) 에 설치하는 밸브 (42) 를 닫고, 제 3 배관 (30) 내에 액을 저류해 두고 밸브 (42) 를 열면, 액의 체적만큼 증기가 열 교환기 (8) 내에 진입하고, 주위의 액저류부 (2e) 의 액에 의해 갑자기 차가워져 큰 체적 수축이 일어나므로, 이 체적 수축에 의해 농축탑 (1) 내의 고압 증기를 회수부 (2) 의 열 교환기 (8) 로 인입하는 힘이 생기고, 농축탑 (1) 으로부터 배관 (29) 을 거쳐 열 교환기 (8) 로 향하는 증기의 흐름이 생긴다. 또한, 열 교환기 (8) 내에서 증기로부터 변이된 액은 중력으로 농축탑 (1) 내로 흘러 간다. 이렇게 하여 정상적으로 유체가 순환하게 된다. 따라서, 이 유체 순환에 있어서는 펌프 등의 압송 수단은 필요하지 않다.

또한 본 실시형태의 농축탑 (1) 을 설명한다.

농축탑 (1) 의 탑바닥부 (1a) 의 가장 바닥에는 배관 (26) 의 일단이 접속되어 있고, 이 배관 (26) 의 타단은 회수탑 (2) 의 탑꼭대기부 (2c) 로 원료를 공급하는 배관 (27) 과 접속되어 있다. 농축탑 (1) 의 탑바닥부 (1a) 에 저류된 액을 농축탑 (1) 보다 높은 위치에 위치하는 회수탑 (2) 의 탑꼭대기부 (2c) 로 환류시키기 위해서, 배관 (26) 도중에는 송출 펌프 (6) 가 필요하다.

농축탑 (1) 의 탑꼭대기부 (1c) 의 외측에는 콘덴서라고 불리는 응축기 (7) 가 배치 형성되어 있고, 배관 (28) 이 탑꼭대기부 (1c) 의 공간 상부로부터 응축기 (7) 로 설치되어 있다. 따라서, 농축탑 (1) 의 탑꼭대기부 (1c) 로 이동해 온 증기는 응축기 (7) 에서 냉각되어 액체가 되고, 휘발성이 높은 성분이 풍부한 유출액이 얻어진다. 또, 그 액체의 일부는 필요에 따라 탑꼭대기부 (1c) 로 환류된다.

또한, 농축탑 (1) 의 선반단 탑부 (1b) (혹은 충전 탑부) 는 소정의 위치에서 배관 (29) 과 연통하고 있고, 이 단에서의 상승 증기가 연직 방향으로 연장되는 배관 (29) 에 의해, 회수탑 (2) 의 액저류부 (2e) 에 배치된 열 교환기 (8) 의 상측 튜브 부분 (8b) 으로 보내진다.

배관 (29) 이 삽입된 단의 상측 단에는, 회수탑 (2) 측으로부터의 배관 (30) 이 농축탑 (1) 의 외벽을 관통하여 삽입되어 있다. 열 교환기 (8) 에서 증기로부터 변이된 액이 이 배관 (30) 을 통과하여 농축탑 (1) 내에 도입된다. 또, 농축탑 (1) 내를 상승하는 증기는 탑꼭대기부 (1c) 에 오면, 배관 (28) 을 통과하여 응축기 (7) 에서 냉각된다. 그 결과, 휘발성이 높은 성분이 풍부한 유출액이 얻어진다.

이상과 같이 본 실시형태에서는, 배관 (29) 에 의해 농축탑 (1) 내의 증기를 탑 밖으로 발출하고, 그 증기를 회수탑 (2) 내의 열 교환기 (8) 에 도입함으로써, 농축탑 (1) 내의 열을 빼앗아 회수탑 (2) 내로 이동시킬 수 있다. 본 실시형태와 같이 배관 (29, 30) 및 열 교환기 (8) 를 이용한 열 이동 시스템은, 마치 농축탑 (1) 의 임의의 단에 사이드 콘덴서가 설치되는 동시에, 회수탑 (2) 의 임의의 단에 사이드 리보일러가 설치되어 있는 것 같은 구성이다. 따라서, 상기 열 이동 시스템을 구비하지 않은 증류 장치와 비교하여, 농축탑 (1) 의 콘덴서 (7) 의 제열량을 작게 할 수 있고, 회수탑 (2) 의 리보일러 (3) 의 입열량도 작게 할 수 있어, 그 결과, 에너지 효율이 매우 높은 증류 장치를 제공할 수 있다. 또한, 도 3 에서는 상기 열 이동 시스템이 1 세트만 나타나 있지만, 예를 들어 전체 이론 단수의 10 ∼ 30 ％ 에 상당하는 세트수의 열 이동 시스템을 설치할 수 있다. 물론, 열 이동 시스템의 설치수, 열 교환기나 배관의 배치 위치는 설계에 따라 임의로 결정되어 있다.

또한, 상기 서술한 바와 같이, 도 2 에 나타내는 바와 같은 칸막이판 (16) 을 농축탑 (1) 내에 설치하지 않는 구성이라도, 농축탑 (1) 내의 증기를 탑 밖으로 발출하고, 그 증기를 회수탑 (2) 내의 열 교환기 (8) 에서 전체 응축시킴으로써 발생하는 체적 수축이 구동력이 되어, 농축탑 (1) 에서 회수탑 (2) 으로, 나아가서는 회수탑 (2) 에서 농축탑 (1) 으로의 유체 흐름이 얻어지는 것을 본 출원인은 알아내었다.

본 발명에 의하면, 도 2 의 증류 장치와 비교하여, 도 2 와 같은 칸막이판 (16) 을 설치하지 않는 만큼 농축부 (1) 내에 있어서의 압력 손실을 저감할 수 있고, 농축탑 (1) 의 탑바닥측의 압력을 낮추어 컴프레서 (4) 의 출구측 압력을 낮게 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 에너지 절약성이 향상된다. 또 구조도 단순화할 수 있다.

단, 증류 장치 가동 중의 압력 변동 등이 원인으로, 농축탑 (1) 내에 연통하는 배관 (30) 의 출구 (30a) 가 액으로 봉해져 있지 않은 상태가 되면, 농축탑 (1) 내로부터 배관 (30) 내로 증기가 유입되는 경우가 있어, 상기한 유체 흐름이 구축되지 않게 될 우려가 있다.

이를 방지하기 위해서, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 회수탑 (2) 의 열 교환기 (8) 로부터 농축탑 (1) 을 향하는 배관 (30) 에 배관로를 개폐하는 개폐 기구인 밸브 (42) 가 설치된다. 또한, 배관 (30) 의 밸브 (42) 보다 상류측에, 농축탑 (1) 내의 압력보다 낮은 압력을 갖는 저압 라인 (본 예에서는 플레어 라인 (43)) 에 연결되는 배관 (44) 이 접속되어 있다. 이 배관 (44) 에도, 배관로를 개폐하는 개폐 기구인 밸브 (45) 가 설치되어 있다.

배관 (30) 의 출구 (30a) 가 액으로 봉해져 있지 않은 경우에는, 밸브 (42) 를 닫고, 밸브 (45) 를 열음으로써, 플레어 라인 (43) 과 농축탑 (1) 사이의 압력차에 의해 강제적으로 농축탑 (1) 내로부터 배관 (29) 내로 증기를 인입하여, 상기한 유체 흐름을 재생한다.

배관 (30) 의 출구 (30a) 에 있어서의 액 상태에 따라 밸브 (42) 및 밸브 (45) 의 개폐를 전환할 수 있으므로, 배관 (30) 의 출구 (30a) 위치에서 상류측으로 떨어진 개소에 배관 내의 액의 유무를 감시할 수 있는 액면계 등의 감시 수단 (46) 을 설치해 두는 것이 바람직하다. 예를 들어, 감시 수단 (46) 은 그것이 위치하는 배관 (30) 부위에 액이 존재하지 않는 것을 검지하면, 밸브 (42) 및 밸브 (45) 의 개폐 구동부에 신호를 보내어, 밸브 (42) 를 닫고, 밸브 (45) 를 연다. 이 후, 감시 수단 (46) 에 의해 액의 존재가 확인되었다면, 밸브 (42) 를 열고, 밸브 (45) 를 닫는다. 이러한 수법에 의해, 본 예의 증류 장치에 있어서 안정된 사이드 열 교환의 순환이 확립된다.

또한, 강제적으로 농축탑 (1) 내로부터 배관 (29) 내로 증기를 인입하는 수단으로서, 상기 실시예에서는, 배관 (30) 의 출구 (30a) 보다 상류측 위치에 접속된 배관 (44) 과, 배관 (44) 에 연결되어 있고 농축탑 (1) 내의 압력보다 낮은 압력을 갖는 플레어 라인 (43), 밸브 (42) 및 밸브 (45) 를 설치하고 있다. 그러나, 그 수단을 달성하는 요소는 이들에 한정되지 않는다. 농축탑 (1) 내의 압력보다 낮은 압력을 갖는다면, 플레어 라인이 아니어도 된다. 또, 밸브 (42) 와 밸브 (45) 대신에, 방향 전환 밸브를 배관 (30) 과 배관 (44) 의 교차점에 설치하고, 감시 수단 (46) 에 의해 배관 (30) 내의 액 끊김이 확인되었을 때만, 배관 (30) 에서 배관 (44) 으로 흐르는 루트에만 방향 전환 밸브로 전환하는 방법이어도 된다. 이 경우도, 하나의 방향 전환 밸브의 조작만으로 강제적으로 농축탑 (1) 내로부터 배관 (29) 내로 증기를 인입하여 유체 흐름을 재생할 수 있으므로, 제어가 간단해진다.

또, 이상에 예시된 본 발명의 열 교환형 증류 장치는, 보통의 증류 장치와 동일한 선반단 탑부 혹은 충전 탑부를 이용하여 구성되어 있으므로, 사이드 컷이나 멀티 피드의 실시에 있어서 장치를 특별히 개량하지 않고 대응하는 것이 가능하고, 또 장치의 메인터넌스도 용이하게 가능하다. 또 동일한 이유로, 농축탑이나 회수탑의 단수 설정에는 자유도가 있기 때문에, 원료 공급단의 최적화도 실시하는 것이 가능해진다. 즉, 특허문헌 1 로 대표되는 이중관 구조를 사용한 열 교환형 증류 장치의 과제로서 예시한 상기 1) ∼ 5) 가 본 발명에 의해 해결된다.

또한 상기 실시형태에서는, 농축탑 (1) 으로부터 회수탑 (2) 으로 열 이동을 실시하게 하는 열 이동 시스템의 구성 요소로서 튜브 번들형 열 교환기 (8) 를 이용하기 때문에, 이 열 교환기 (8) 의 튜브 설계에 의해 전열 면적 (A) 을 자유롭게 바꿀 수 있다. 따라서, 농축탑 (1) 과 회수탑 (2) 사이에서의 열 교환량의 결정과 관련하여, 농축탑 (1) 과 회수탑 (2) 사이의 온도차 (ΔT) 뿐만 아니라, 전열 면적 (A) 도 설계상의 자유도로 할 수 있다. 이로 인해, 상기 이중관 구조를 이용한 열 교환형 증류 장치의 과제 6) 이 본 발명에 의해 해결되었다.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 몇 가지 실시형태를 예시하여 설명했지만, 본원 발명은 이들 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 기술 사상을 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경하여 실시하는 것이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

상기 실시형태에서는, 농축탑 (1) 과 회수탑 (2) 이 연직 방향 상하로 연결된 형태를 나타냈지만, 본 발명은 이 형태에도 한정되지 않는다. 즉 본 발명은 농축탑 (1) 과 회수탑 (2) 이 별개 독립된 구성으로, 회수탑 (2) 이 농축탑 (1) 에서 보아 상방에 배치된 형태를 포함하는 것이다.

이 출원은, 2012년 2월 24일에 출원된 일본 특허출원 2012-38988 을 기초로 하는 우선권을 주장하며, 그 개시 전부를 여기에 받아들인다.

1 : 농축탑
1a : 탑바닥부
1b : 선반단 탑부 (혹은 충전 탑부)
1c : 탑꼭대기부
2 : 회수탑
2a : 탑바닥부
2b : 선반단 탑부 (혹은 충전 탑부)
2c : 탑꼭대기부
2d : 액빼냄부
2e : 액저류부
3 : 가열기 (리보일러)
4 : 컴프레서
5 : 선반판
6 : 압송 수단
7 : 응축기 (콘덴서)
8 : 튜브 번들형 열 교환기
5, 15 : 액저류용 선반판
9 : 액저류용 트레이
10, 12, 14 : 액
11, 13, 18 : 증기 (베이퍼)
21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 34 : 배관
30a : 배관 출구
42, 45 : 밸브
43 : 플레어 라인
46 : 감시 수단

Claims (7)

1. 농축부로서 이용되는 선반단 탑부 혹은 충전 탑부를 갖는 농축탑과,
   상기 농축탑에서 보아 상방에 배치되고, 회수부로서 이용되는 선반단 탑부 혹은 충전 탑부를 갖는 회수탑과,
   상기 회수탑의 탑꼭대기부와 상기 농축탑의 탑바닥부를 연통시키는 제 1 배관과,
   상기 제 1 배관에 설치되고, 상기 회수탑의 탑꼭대기부로부터의 증기를 압축하여 상기 농축탑의 탑바닥부로 보내는 컴프레서와,
   상기 회수탑의 소정의 단에 설치되고, 위에서 흘러 내려 온 액을 저류하는 액저류부와,
   상기 회수탑의 상기 액저류부 내에 배치된 열 교환기와,
   상기 농축탑 내의 증기를 상기 회수탑의 상기 열 교환기로 도입하는 제 2 배관과,
   상기 회수탑의 상기 열 교환기에서 유출되는 유체를 상기 농축탑에 도입하는 제 3 배관을 구비한 열 교환형 증류 장치로서,
   상기 제 3 배관의 하류측에는, 상기 농축탑 내의 압력보다 낮은 압력을 갖는 라인이 연결되어 있고,
   상기 제 3 배관을 통과하여 상기 농축탑 내를 향하는 제 1 흐름을, 상기 제 3 배관으로부터 분기되어 상기 라인을 향하는 제 2 흐름으로 전환 가능하게 되어 있는, 열 교환형 증류 장치
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 농축탑 내에 삽입된 상기 제 3 배관의 단부 내가 액으로 봉해져 있는지여부를 감시하는 감시 수단을 추가로 구비하고, 그 단부 내가 액으로 봉해져 있지 않은 것이 상기 감시 수단에 의해 검출되었을 때에, 상기 제 1 흐름을 상기 제 2 흐름으로 전환하는, 열 교환형 증류 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 감시 수단으로 감시되는 상기 액 상태에 따라 상기 제 1 흐름을 상기 제 2 흐름으로 전환하기 위한 밸브 기구를 갖는, 열 교환형 증류 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 회수탑의 탑꼭대기부에 및/또는 상기 선반단 탑부 혹은 충전 탑부의 소정의 단에 원료를 공급하는 원료 공급 배관을 추가로 구비한, 열 교환형 증류 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 농축탑의 탑바닥부에 저류된 액을 상기 원료 공급 배관으로 압송하기 위한 펌프 및 배관을 추가로 구비한, 열 교환형 증류 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 회수탑의 탑바닥부는 그 탑바닥부 내의 액을 가열하는 리보일러를 구비하고 있는, 열 교환형 증류 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 농축탑의 탑꼭대기부는 그 탑꼭대기부 내의 증기를 냉각하는 콘덴서를 구비하고 있는, 열 교환형 증류 장치.

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