(57)【要約】【課題】ヒートポンプを用いて省エネルギーを図るとともに、ヒートポンプに消費されるエネルギーを抑制して、さらに高い省エネルギー効果が得られるようにした蒸留装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプＨＰにて温度レベルを上げてリボイラ１ａに供給する高温水の温度Ａを８０℃以上１００℃未満とし、ヒートポンプに送られて熱回収される第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを４５℃以上９０℃未満とし、かつ、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが高温水の温度Ａよりも１０〜３５℃低い温度となるように構成するとともに、第１蒸留塔１の塔底から排出される塔底液の温度が７５℃〜９５℃となるような操作圧で操作されるように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低沸点成分を高沸点成分よりも少ない割合で含有する原料液の蒸留を行う第１蒸留塔と、
前記第１蒸留塔の塔底液を再加熱するリボイラと、
前記第１蒸留塔の塔頂から取り出される第１塔頂ベーパを、第１コンデンサ用循環冷却水により冷却して、第１凝縮液と、前記第１凝縮液よりも低沸点成分を高い割合で含む第１ベーパとに分離する第１コンデンサと、
前記第１コンデンサにおいて前記第１塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記第１コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記リボイラに高温水として供給するように構成されたヒートポンプと、
前記第１コンデンサにおける不凝縮ガスである前記第１ベーパを、下記第２凝縮液と気液接触させて蒸留する第２蒸留塔と、
前記第２蒸留塔の塔頂から取り出される第２塔頂ベーパを、第２コンデンサ用循環冷却水により冷却して凝縮させ、低沸点成分を主成分とする第２凝縮液を回収する第２コンデンサと、
前記第１コンデンサにおける前記第１凝縮液を、前記第１蒸留塔用の還流液として前記第１蒸留塔に還流させる第１還流路と、  
前記第２コンデンサにおける前記第２凝縮液の一部を、前記第２蒸留塔用の還流液として前記第２蒸留塔に還流させる第２還流路と、
を備え、
前記ヒートポンプにて温度レベルを上げて前記リボイラに供給する前記高温水の温度Ａが８０℃以上１００℃未満であり、
前記ヒートポンプに送られて熱回収される前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが４５℃以上９０℃未満であり、
前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが前記高温水の温度Ａよりも１０℃〜３５℃低い温度であり、かつ、
前記第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が７５℃〜９５℃となるような操作圧で操作されるように構成されていること
を特徴とする蒸留装置。
【請求項２】
前記高温水の温度Ａが９０℃以上１００℃未満であり、
前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが６０℃以上９０℃未満であり、
前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが前記高温水の温度Ａよりも１０℃〜３０℃低い温度であり、かつ、
前記第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が８５℃〜９５℃となるような操作圧で操作されるように構成されていること
を特徴とする請求項１記載の蒸留装置。
【請求項３】
前記第１蒸留塔に供給される前記原料液に含まれる低沸点成分の濃度が０．１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下で、前記第１蒸留塔の塔底から排出される排出液の低沸点成分の濃度が１ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の蒸留装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いた蒸留装置に関し、詳しくは、低沸点成分を高沸点成分よりも少ない割合で含有する原料液を蒸留して低沸点成分を分離するために用いられる蒸留装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸留装置における省エネルギー化の必要性は近年、益々増大しており、種々の提案が行われている。
【０００３】
そのような省エネルギー技術の１つとして、蒸留装置にヒートポンプを組み込んで、熱効率を向上させるようにした蒸留装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１の蒸留装置は、蒸留塔と、蒸留コンデンサと、蒸留リボイラと、蒸留コンデンサから流出した第一出力流体を蒸留塔に戻すための還流用の配管とを備える蒸留装置である。
【０００５】
そして、この蒸留装置は、作動媒体（水）が蒸留コンデンサで受け取った熱を蒸留リボイラに与えるためのヒートポンプを備えている。ヒートポンプは、蒸留コンデンサと蒸留リボイラを接続するとともに作動媒体が循環する循環流路と、蒸留コンデンサで蒸発した後の作動媒体を圧縮する圧縮機と、蒸留リボイラで熱を与えた後の作動媒体を減圧（膨張）させる減圧弁とを備えた構成とされている。
【０００６】
そして、この蒸留装置によれば、蒸留塔の頂部から流出した第一出力流体の有する熱エネルギーが、ヒートポンプによって蒸留リボイラにおいて有効に回収され、第一出力流体の熱エネルギーの有効利用により、蒸留リボイラにおける第二出力流体の加熱に必要な熱エネルギーの削減を図ることが可能になるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平０６−００９６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、蒸留装置における省エネルギー化を図る方法の一つとして、上述のように、ヒートポンプを利用する方法が考えられる。
【０００９】
しかしながら、蒸留塔の塔頂ベーパを冷却するためのコンデンサの冷却水から熱を回収し、加熱源としてリボイラに供給するためには、ヒートポンプとして高圧縮のタイプのものを用いることが必要となる。その結果、ヒートポンプの成績効率（ＣＯＰ）は小さくなり、省エネルギー効果も小さくなるという問題点がある。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するものであり、蒸留装置にヒートポンプを用いて省エネルギーを図るとともに、ヒートポンプに消費されるエネルギーを抑制して、さらなる省エネルギー効果を得ることが可能な蒸留装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、発明者等は、種々の検討を行い、ヒートポンプを用いた蒸留装置において十分な省エネルギー効果を図るためには、低圧縮で、可能な限り成績効率（ＣＯＰ）の高いタイプのヒートポンプを採用できるような設計を行うことが必要であると認識するに至った。
【００１２】
すなわち、蒸留塔（蒸留装置）における分離操作は、高沸点成分が塔底から取り出され、低沸点物が塔頂から取り出されるという構成を基本としているが、それ以外は、蒸留の対象となる原料液の物性や供給濃度、温度などにより、多種多様な構成が採用されており、蒸留塔（蒸留装置）を製作するに当たっては、種々の特徴のある設計が行われているのが実情である。
【００１３】
発明者等は、上述のような知見から、成績効率（ＣＯＰ）が６〜８というような高効率のヒートポンプを用いることができるように蒸留塔（蒸留装置）の設計を行うことで、設備の複雑化やコストの増大を抑制しつつ、省エネルギー性に優れた蒸留装置を実現することができるのではないかと考え、さらに検討を行って本発明を完成した。
【００１４】
すなわち、本発明にかかる蒸留装置は、
低沸点成分を高沸点成分よりも少ない割合で含有する原料液の蒸留を行う第１蒸留塔と、
前記第１蒸留塔の塔底液を再加熱するリボイラと、
前記第１蒸留塔の塔頂から取り出される第１塔頂ベーパを、第１コンデンサ用循環冷却水により冷却して、第１凝縮液と、前記第１凝縮液よりも低沸点成分を高い割合で含む第１ベーパとに分離する第１コンデンサと、
前記第１コンデンサにおいて前記第１塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記第１コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記リボイラに高温水として供給するように構成されたヒートポンプと、
前記第１コンデンサにおける不凝縮ガスである前記第１ベーパを、下記第２凝縮液と気液接触させて蒸留する第２蒸留塔と、
前記第２蒸留塔の塔頂から取り出される第２塔頂ベーパを、第２コンデンサ用循環冷却水により冷却して凝縮させ、低沸点成分を主成分とする第２凝縮液を回収する第２コンデンサと、
前記第１コンデンサにおける前記第１凝縮液を、前記第１蒸留塔用の還流液として前記第１蒸留塔に還流させる第１還流路と、  
前記第２コンデンサにおける前記第２凝縮液の一部を、前記第２蒸留塔用の還流液として前記第２蒸留塔に還流させる第２還流路と、
を備え、
前記ヒートポンプにて温度レベルを上げて前記リボイラに供給する前記高温水の温度Ａが８０℃以上１００℃未満であり、
前記ヒートポンプに送られて熱回収される前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが４５℃以上９０℃未満であり、
前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが前記高温水の温度Ａよりも１０℃〜３５℃低い温度であり、かつ、
前記第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が７５℃〜９５℃となるような操作圧で操作されるように構成されていること
を特徴としている。
【００１５】
また、本発明の蒸留装置においては、
前記高温水の温度Ａが９０℃以上１００℃未満であり、
前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが６０℃以上９０℃未満であり、
前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが前記高温水の温度Ａよりも１０℃〜３０℃低い温度であり、かつ、
前記第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が８５℃〜９５℃となるような操作圧で操作されるように構成されていること
が好ましい。
【００１６】
また、前記第１蒸留塔に供給される前記原料液に含まれる低沸点成分の濃度が０．１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下で、前記第１蒸留塔の塔底から排出される排出液の低沸点成分の濃度が１ｗｔ％以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の蒸留装置は、上述のように構成されており、ヒートポンプにおいて温度レベルを上げてリボイラに供給する高温水の温度Ａが８０℃以上１００℃未満、ヒートポンプに送られて熱回収される第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが４５℃以上９０℃未満、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが高温水の温度Ａよりも１０〜３５℃低い温度であって、第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が７５℃〜９５℃となるような操作圧で操作されるように構成されていることから、上記条件で稼働させることが可能な蒸留装置を実現することが可能になる。その結果、ヒートポンプを効率よく稼働させて、エネルギーの消費を抑制することが可能な、省エネルギー性に優れた蒸留装置を提供することができる。
【００１８】
すなわち、本発明によれば、第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が７５℃〜９５℃となるような操作圧とする（原料液が、例えば低沸点成分がアセトン、高沸点成分が水であるような場合には、２５ｋＰａＡ以上大気圧以下の操作圧とする）ことで、ヒートポンプにおいて上昇させるべき温度レベル幅が１０〜３５℃と、通常のヒートポンプにおいて上昇させるべき温度レベル幅（通常は４０〜８５℃）よりも小さい温度幅でもヒートポンプの使用が可能になるため、通常のヒートポンプを用いる場合に比べて、高い成績効率（ＣＯＰ）で熱回収を行うことが可能になり、省エネルギー性を向上させることができるようになる。
【００１９】
本発明の蒸溜装置においては、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを高温水の温度Ａにできるだけ近づけるため、第１コンデンサを、第１蒸留塔の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）の一部のみを凝縮させることで、第１コンデンサの凝縮温度を高く保つことができるようにしている。そして、その結果として、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを、８０℃以上１００℃未満という高温水の温度Ａに近い温度、すなわち、４５℃以上９０℃未満という温度に設定することができるようになる。
【００２０】
一方、蒸留対象となる流体の沸点は、大気圧下であればヒートポンプの高温水側の温度を超えることがあるが、これに対しては蒸留装置の操作圧を減圧にして、蒸留対象となる流体の沸点を９５℃未満に低下させることにより、ヒートポンプの適用を可能にしている。
【００２１】
蒸留装置の対象液は、さまざまであり、蒸留塔の塔底側の必要熱量と、塔頂側の必要熱量との間に大きな差がある場合には、蒸留塔を２塔に分割し、1塔目の蒸留塔にヒートポンプを適用することで、より消費エネルギーの少ない蒸留システムを構成することができる。
【００２２】
すなわち、本発明では、１塔目の蒸留塔（第１蒸留塔）において、目的成分（低沸点成分）を中間濃度まで濃縮する蒸留を行い、２塔目の蒸留塔（第２蒸留塔）において、目的成分（低沸点成分）を高濃度にまで濃縮する蒸留を行うことで、第１蒸留塔に成績効率（ＣＯＰ）が６〜８である高効率ヒートポンプを付加して、より消費エネルギーの少ない蒸留装置を実現するようにしている。
【００２３】
言い換えると、本発明では、上述のように、第１蒸留塔の塔頂における目的成分（低沸点成分）の濃度を中間濃度とすることで、第１蒸留塔の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）を冷却する第１コンデンサ内における凝縮温度を高く維持することを可能にし、ヒートポンプの低温水の温度（すなわち第１コンデンサ用循環冷却水の温度）を例えば、４５℃以上９０℃（より好ましくは、６０℃以上９０℃）と、９５℃である高温水の温度に極めて近い温度とすることで、高ＣＯＰのヒートポンプを用いることを可能にしている。
【００２４】
また、本発明の蒸留装置においては、ヒートポンプの動力が第１蒸留塔のリボイラに熱量として加算され、第１コンデンサでの冷却熱量がリボイラで加えられた熱量に対して不足するため、第２蒸留塔においては余剰熱を利用することが可能で、第２蒸留塔の熱負荷が小さくなる。すなわち、第２蒸留塔では、第１蒸留塔の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）を冷却する第１コンデンサを通過する余剰熱（第１コンデンサで凝縮せずに、第１コンデンサを通過した第１ベーパが有する熱）を利用して、低沸点成分を高濃度にまで蒸留することができる。その結果、第２蒸留塔にはリボイラが不要になる。ただし、第２蒸留塔でエネルギーが不足する場合は、リボイラを追加する。
【００２５】
さらに、本発明によれば、上述のように、第２蒸留塔の熱負荷が小さくなるので、第２蒸留塔の塔径を、第１蒸留塔の塔径よりも小さくする（例えば１／３〜２／３にする）ことが可能になり設備コストの大幅な低減が期待できる。
【００２６】
また、第２蒸留塔の塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）は第２コンデンサ（濃縮コンデンサ）で冷却されて凝縮し、一部は還流液として第２蒸留塔に供給され、残りは回収溶剤（留出液）として系外に取り出される。
【００２７】
なお、第２コンデンサ（濃縮コンデンサ）においては、冷却水として、第２蒸留塔の塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）を十分に凝縮させることが可能な低温の冷却水が用いられる、これにより、不凝縮ガス以外の低沸点成分は、全て液（留出液）として回収されることになる。
【００２８】
また、前記高温水の温度Ａを９０℃以上１００度未満とし、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを６０℃以上９０℃以下とし、かつ、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを高温水の温度Ａよりも１０℃〜３０℃低い温度とし、操作圧を第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が８５℃〜９５℃となるような操作圧（原料液が、例えば低沸点成分がアセトン、高沸点成分が水であるような場合には、２５ｋＰａＡ以上大気圧以下の操作圧）とした場合、さらに高い成績効率（ＣＯＰ）で熱回収を行うことが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。
【００２９】
また、本発明の蒸留装置においては、第１蒸留塔に供給される原料液の低沸点成分濃度を０．１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下の範囲とし、第１蒸留塔の塔底から排出される排出液の低沸点成分濃度を１ｗｔ％以下とする場合において、効率のよい蒸留を行って、省エネルギー効果を確保しつつ、低沸点成分を分離、回収することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる蒸留装置の構成を示すフローシートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
【００３２】
なお、本実施形態では、低沸点成分であるアセトン１．０ｗｔ％を含み、残部（９９．０ｗｔ％）を高沸点成分である水とする原料液（被処理液）を蒸留してアセトンを分離、回収するための蒸留装置を例にとって説明する。
【００３３】
本実施形態にかかる蒸留装置１００は、ヒートポンプを用いて省エネルギー性の向上を図った蒸留装置である。
【００３４】
図１に示すように、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第１蒸留塔１と、リボイラ１ａと、第１蒸留塔１の塔頂から取り出される塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）を冷却する第１コンデンサ１１とを備えている。
【００３５】
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第１コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うヒートポンプＨＰと、第１コンデンサ１１における不凝縮ガス（第１ベーパ）の蒸留を行う第２蒸留塔２と、第２蒸留塔２の塔頂から取り出される塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）不凝縮ガスを冷却する第２コンデンサ２２とを備えている。
【００３６】
そして、第２蒸留塔２は、第１コンデンサ１１における不凝縮ガス（第１ベーパ）を、第２コンデンサ２２の凝縮液（第２凝縮液）と気液接触させて蒸留を行うように構成されている。
【００３７】
さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第１コンデンサ１１の凝縮液を、第１蒸留塔１に還流させる第１還流路３１と、第２コンデンサ２２の凝縮液を、第２蒸留塔２に還流させる第２還流路３２とを備えている。
以下、詳しく説明する。
【００３８】
本発明の蒸留装置１００が備える第１蒸留塔１は、アセトンを１．０ｗｔ％の割合で含むアセトン水溶液（水９９．０ｗｔ％）である原料液の蒸留を行う蒸留塔である。第１蒸留塔１としては、例えば、棚段塔、充填塔など種々の構成のものを用いることが可能である。本実施形態では充填塔を用いている。
【００３９】
また、リボイラ１ａは、第１蒸留塔１の塔底液を再加熱するものであり、再加熱された塔底液は第１蒸留塔１に戻される。なお、リボイラ１ａは、後述のヒートポンプＨＰからの９５℃の高温水を用いた間接型熱交換器であって、このリボイラ１ａで加熱されることによりベーパを発生させる。
【００４０】
第１蒸留塔１ではリボイラ１ａで発生したベーパと、予熱器４１を通過して昇温した原料液（供給液）と、第１コンデンサ１１で凝縮した凝縮液である還流液とを気液接触させることで、アセトンの蒸留を行い、アセトンが分離（除去）された塔底液（缶出液）が系外に排出される一方、原料液よりも高い割合でアセトンを含む、塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）が第１コンデンサ１１に供給される。
【００４１】
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００が備える第１コンデンサ１１は、第１蒸留塔１の塔頂から取り出される塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）を、第１コンデンサ用循環冷却水により冷却して、第１凝縮液と、第１凝縮液よりもアセトンを高い割合で含む第１ベーパとに分離するものである。そして、凝縮液は第１蒸留塔１の塔頂へ還流液として還流される。
【００４２】
すなわち、第１コンデンサ１１では、主として高沸点成分(水)が凝縮し、アセトン３．３ｗｔ％を含む凝縮液（アセトン水溶液）は、還流液として、第１蒸留塔１の塔頂に戻される。
【００４３】
さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、ヒートポンプＨＰを備えており、このヒートポンプＨＰは、第１コンデンサ１１で第１塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した第１コンデンサ用循環冷却水（本実施形態では６５℃）から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げてリボイラ１ａに高温水（本実施形態では９５℃）として供給することができるように構成されている。
【００４４】
すなわち、本発明にかかる蒸留装置１００において、ヒートポンプＨＰは、例えば、第１コンデンサ１１で用いられた４５℃以上９０℃未満の温度Ｂの第１コンデンサ用循環冷却水から熱を回収し、電力により温度レベルを１０℃以上３５℃以下の範囲で上昇させ、８０℃以上１００℃未満の温度Ａでリボイラ１ａに供給することで熱エネルギーを循環再利用するものである。
【００４５】
なお、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第１コンデンサ１１で第１塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した第１コンデンサ用循環冷却水側（冷水側）と、電力により熱エネルギーレベルを上げてリボイラ１ａに供給される高温水側（温水側）との温度差を、従来用いられているヒートポンプの場合よりも小さくすることで、高ＣＯＰで熱回収を行うことができるようにしたことを、いくつかの特徴を有する構成のうちでも、大きな特徴を有する構成としている。
【００４６】
具体的には、第１コンデンサ１１で第１塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した温度が６５℃の第１コンデンサ用循環冷却水がヒートポンプＨＰにおいて熱回収され、温度が６０℃に低下した第１コンデンサ用循環冷却水が第１コンデンサ１１に循環供給されるように構成されている。
【００４７】
一方、ヒートポンプＨＰにおいて、電力により温度レベルが９５℃に上げられた高温水側循環水（高温水）は、リボイラ１ａに供給され、リボイラ１ａで用いられて温度が９０℃に低下した高温水側循環水は、ヒートポンプＨＰに戻されて、温度レベルが９５℃に上げられた後、再びリボイラ１ａに供給されるように構成されている。
【００４８】
さらに、本実施形態の蒸留装置１００は、第１コンデンサ１１における不凝縮ガスである第１ベーパを、蒸留する第２蒸留塔２を備えているとともに、第２蒸留塔２の塔頂から取り出される塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）を冷却する第２コンデンサ２２を備えている。
【００４９】
第２蒸留塔２は、第１コンデンサ１１における不凝縮ガスである第１ベーパを第２コンデンサ２２で凝縮した第２凝縮液と気液接触させて蒸留し、塔頂からさらにアセトン濃度の高い塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）を取り出す蒸留塔である。第２蒸留塔２としては、例えば、棚段塔、充填塔など種々の構成のものを用いることが可能である。本実施形態では充填塔を用いている。
【００５０】
すなわち、第２蒸留塔２では、アセトン濃度の高い、第１コンデンサ１１の不凝縮ガスが蒸留されることにより、アセトンが選択的に第２コンデンサ２２に抜き出される。その結果、第１コンデンサ１１内の温度を高く保ち、冷媒である第１コンデンサ用循環冷却水の温度を、例えば、６０〜６５℃と高くすることが可能になり、上述のように、第１コンデンサ用循環冷却水側と、リボイラ１ａに供給される高温水側との温度差を小さくして、高ＣＯＰで熱回収を行うことが可能になる。
【００５１】
この第２コンデンサ２２は、第２蒸留塔２の塔頂ベーパである第２塔頂ベーパを第２コンデンサ用循環冷却水により冷却して、第２塔頂ベーパに含まれるアセトンと水を凝縮させる機能を果たす。
【００５２】
なお、第２コンデンサ用循環冷却水としては、第２塔頂ベーパに含まれるアセトンと水とを十分に凝縮させることが可能な温度の冷却水が用いられる。
【００５３】
そして、第２コンデンサ２２において凝縮した凝縮液の一部が回収溶剤として回収され、他の凝縮液は、第２蒸留塔２の塔頂へ還流液として還流される。
【００５４】
本実施形態の蒸留装置１００は、第１コンデンサ１１における凝縮液を、第１蒸留塔１用の還流液として第１蒸留塔１に還流させることができるように第１還流路３１を備えている。
【００５５】
また、第２コンデンサ２２における凝縮液を、第２蒸留塔２用の還流液として第２蒸留塔２に還流させることができるように第２還流路３２を備えている。
【００５６】
さらに説明すると、本実施形態の蒸留装置１００においては、第１蒸留塔１の塔底から排出される塔底液（缶出液）の温度が７５℃〜９５℃となるような操作圧（例えば、２５ｋＰａＡ以上大気圧以下）で操作されるようにすることで、ヒートポンプＨＰにて温度レベルを上げてリボイラ１ａに供給する高温水の温度Ａが８０℃以上１００℃未満となるように構成されている。
【００５７】
また、ヒートポンプＨＰに送られて熱回収される第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが４５℃以上９０℃未満となるように構成されている。
【００５８】
さらに、ヒートポンプＨＰに送られて熱回収されるべき第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが上述の高温水の温度Ａよりも１０〜３５℃低い温度となるように構成されている。
【００５９】
本実施形態にかかる蒸留装置１００は、上述のように構成されており、ヒートポンプＨＰにおいて温度レベルを上げてリボイラ１ａに供給する高温水の温度Ａが８０℃以上１００℃未満、ヒートポンプＨＰに送られて熱回収される第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが４５℃以上９０℃未満であり、かつ、ヒートポンプＨＰに送られて熱回収されるべき第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが温度Ａよりも１０〜３５℃低い温度とされ、かつ、第１蒸留塔１の塔底から排出される缶出液の温度が７５℃〜９５℃となるような操作圧（例えば、２５ｋＰａＡ以上大気圧以下）で操作されるように構成されていることから、ヒートポンプＨＰを効率よく稼働させることが可能になり、装置全体としてのバランスを保ちつつ、高い成績効率（ＣＯＰ）で熱回収を行って、省エネルギー性を向上させることができる。
【００６０】
すなわち、本実施形態にかかる蒸留装置１００によれば、ヒートポンプＨＰにおいて上昇させるべき温度レベルが１０〜３５℃であり、通常のヒートポンプを用いる場合に比べて、ヒートポンプで上昇させるべき温度レベルの幅が小さいため、ヒートポンプＨＰにおけるエネルギーの消費量を抑えて、高い成績効率（ＣＯＰ）で熱回収を行うことができる。
【００６１】
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第１蒸留塔１に供給される原料液を、アセトン濃度が１．０ｗｔ％のアセトン水溶液とし、第１蒸留塔１の塔底から排出される排出液のアセトン濃度が０．０００２ｗｔ％（２ｐｐｍ）となるようにしている。
【００６２】
このような状況において、本実施形態の蒸留装置１００を適用することにより、効率のよい蒸留を行って省エネルギーを図りつつ、原料液から低沸点成分であるアセトンを確実に分離、回収することが可能になる。
【００６３】
本実施形態にかかる蒸留装置１００は、上述のように構成されており、「第１蒸留塔１の塔底から排出される塔底液（缶出液）の温度が７５℃〜９５℃となるような操作圧（例えば、２５ｋＰａＡ以上大気圧以下）で操作され、リボイラ１ａに供給する高温水の温度Ａが８０℃以上１００℃未満、ヒートポンプＨＰに送られて熱回収される第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが４５℃以上９０℃未満であり、かつ、温度Ｂが温度Ａよりも１０〜３５℃低い温度である」という、本発明の特徴的な条件で装置を稼働させることが可能になり、全体的なバランスを破綻させることなく、省エネルギーを図ることができる。
【００６４】
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、ヒートポンプＨＰの動力は第１蒸留塔１のリボイラ１ａに熱量として加算され、第１コンデンサ１１における冷却熱量が、リボイラ１ａで加えられた熱量に対して不足するため、第２蒸留塔においては余剰熱を利用することが可能になり、第２蒸留塔２における熱負荷が小さくなる。その結果、第２蒸留塔２の塔径を第１蒸留塔１の塔径よりも小さくすることが可能になり、設備コストの低減を図ることができる。
【００６５】
次に、本実施形態にかかる蒸留装置１００を用いてアセトンと水を含む原料液（被処理液）の蒸留を行った場合の運転結果の一例について説明する。
【００６６】
本実施形態にかかる蒸留装置１００を用いて原料液の蒸留を行うに当たっては、原料液として、温度：２５℃、アセトン濃度：１．０ｗｔ％のアセトン水溶液を、予熱器４１、リボイラ１ａを経て、３０００ｋｇ／ｈｒの割合で第１蒸留塔１に供給した。
ここで、第１蒸留塔１に供給される原料液中のアセトンの量は１時間当たり３０ｋｇとなる。
【００６７】
一方、第１蒸留塔１の塔底液として、温度：２８℃、アセトン濃度：２ｐｐｍの水（ほとんどのアセトンが分離された処理液）を２９７０ｋｇ／ｈｒの割合で系外に排出した。
【００６８】
ここで、塔底液として系外に排出されるアセトンは、約０．５０ｋｇ／ｈｒ（２９７０ｋｇ／ｈｒ×２×１／１０-6＝０．５ｋｇ／ｈｒ）となる。
【００６９】
また、第２蒸留塔２においては、塔頂から塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）として、温度：４３℃、アセトン濃度：９８．３ｗｔ％のベーパが２５６ｋｇ／ｈｒの割合で取り出される。
【００７０】
さらに、第２コンデンサ２２においては、第２蒸留塔２の塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）が冷却され、凝縮することで、温度：４３℃、アセトン濃度：９８．３ｗｔ％の凝縮液が２５６ｋｇ／ｈｒの割合で回収される。
【００７１】
そして、２５６ｋｇ／ｈｒの凝縮液のうち、２２６ｋｇ／ｈｒ（アセトン濃度：９８．３ｗｔ％）が第２蒸留塔２に還流される一方、回収溶剤として、アセトン濃度が９８．３ｗｔ％の回収溶剤が３０ｋｇ／ｈｒの割合で回収される。
【００７２】
ここで、回収溶剤として回収されるアセトンは、約２９．５ｋｇ（３０ｋｇ／ｈｒ×０．９８３＝約２９．５ｇ）となる。
【００７３】
また、本実施形態における蒸留装置１００全体の消費エネルギー、すなわち、電力消費量は、ヒートポンプＨＰで電力消費量５０ｋＷと、各種ポンプ（循環ポンプ、移送ポンプ、還流ポンプ、真空ポンプなど）などの消費電力を合わせて約８０ｋＷ程度であった。
【００７４】
これに対し、従来の昇温幅の大きいヒートポンプを用い、第１コンデンサにおいて塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した３５℃の循環冷却水から熱回収を行い、回収した熱を電力により温度レベルを上げて９５℃の高温水をリボイラに供給するように構成された蒸留装置（参考例の蒸留装置）の場合、装置全体の消費エネルギー、すなわち、電力消費量は、２００ｋＷ程度となる。
【００７５】
したがって、本実施形態にかかる蒸留装置１００を用いることにより、上述の従来のヒートポンプを用いた参考例の蒸留装置の場合に比べて、電力消費量を約４０％程度にまで低減することが可能になり、省エネルギーの見地から、本発明が大きな意義を有するものであることがわかる。
【００７６】
なお、上記実施形態で説明し、あるいは、図１に示した、原料液、塔底液、第１および第２凝縮液、第１および第２ベーパなどに関する各種の量や、温度、アセトン濃度、消費エネルギー（ｋＷ）、圧力などの値は、あくまでも例示であって、本発明は、それらの値が上記実施形態の値とは異なる値となる場合を排除するものではない。
【００７７】
また、上記実施形態では、低沸点成分がアセトン、高沸点成分が水である原料液を蒸留してアセトンを回収する場合を例にとって説明したが、本発明において、低沸点成分と高沸点成分の種類は上記実施形態に限定されるものではなく、低沸点成分がメタノール、クロロフォルム、ベンゼンなどであったり、高沸点成分が酢酸、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、トルエンなどであったりしてもよい。
【００７８】
また、上記実施形態では、第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が８５℃〜９５℃となるような操作圧で操作されるように構成しているが、高温水の温度Ａを９０℃以上１００度未満とし、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを６０℃以上９０℃以下とし、かつ、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを高温水の温度Ａよりも１０℃〜３０℃低い温度とし、操作圧を第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が８５℃〜９５℃となるような操作圧とすることで、さらに高い成績効率（ＣＯＰ）で熱回収を行うことが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。
【００７９】
本発明は、さらにその他の点においても上記実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲内において、応用、変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１        第１蒸留塔
２        第２蒸留塔
１ａ      リボイラ
１１      第１コンデンサ
２２      第２コンデンサ
３１      第１コンデンサの凝縮液を第１蒸留塔に還流させる第１還流路
３２      第２コンデンサの凝縮液を第２蒸留塔に還流させる第２還流路
４１      予熱器
１００    蒸留装置
ＨＰ      ヒートポンプ
【図１】
2020001009.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月11日(2019.10.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いた蒸留装置に関し、詳しくは、低沸点成分を高沸点成分よりも少ない割合で含有する原料液を蒸留して低沸点成分を分離するために用いられる蒸留装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸留装置における省エネルギー化の必要性は近年、益々増大しており、種々の提案が行われている。
【０００３】
そのような省エネルギー技術の１つとして、蒸留装置にヒートポンプを組み込んで、熱効率を向上させるようにした蒸留装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１の蒸留装置は、蒸留塔と、蒸留コンデンサと、蒸留リボイラと、蒸留コンデンサから流出した第一出力流体を蒸留塔に戻すための還流用の配管とを備える蒸留装置である。
【０００５】
そして、この蒸留装置は、作動媒体（水）が蒸留コンデンサで受け取った熱を蒸留リボイラに与えるためのヒートポンプを備えている。ヒートポンプは、蒸留コンデンサと蒸留リボイラを接続するとともに作動媒体が循環する循環流路と、蒸留コンデンサで蒸発した後の作動媒体を圧縮する圧縮機と、蒸留リボイラで熱を与えた後の作動媒体を減圧（膨張）させる減圧弁とを備えた構成とされている。
【０００６】
そして、この蒸留装置によれば、蒸留塔の頂部から流出した第一出力流体の有する熱エネルギーが、ヒートポンプによって蒸留リボイラにおいて有効に回収され、第一出力流体の熱エネルギーの有効利用により、蒸留リボイラにおける第二出力流体の加熱に必要な熱エネルギーの削減を図ることが可能になるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平０６−００９６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、蒸留装置における省エネルギー化を図る方法の一つとして、上述のように、ヒートポンプを利用する方法が考えられる。
【０００９】
しかしながら、蒸留塔の塔頂ベーパを冷却するためのコンデンサの冷却水から熱を回収し、加熱源としてリボイラに供給するためには、ヒートポンプとして高圧縮のタイプのものを用いることが必要となる。その結果、ヒートポンプの成績効率（ＣＯＰ）は小さくなり、省エネルギー効果も小さくなるという問題点がある。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するものであり、蒸留装置にヒートポンプを用いて省エネルギーを図るとともに、ヒートポンプに消費されるエネルギーを抑制して、さらなる省エネルギー効果を得ることが可能な蒸留装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、発明者等は、種々の検討を行い、ヒートポンプを用いた蒸留装置において十分な省エネルギー効果を図るためには、低圧縮で、可能な限り成績効率（ＣＯＰ）の高いタイプのヒートポンプを採用できるような設計を行うことが必要であると認識するに至った。
【００１２】
すなわち、蒸留塔（蒸留装置）における分離操作は、高沸点成分が塔底から取り出され、低沸点物が塔頂から取り出されるという構成を基本としているが、それ以外は、蒸留の対象となる原料液の物性や供給濃度、温度などにより、多種多様な構成が採用されており、蒸留塔（蒸留装置）を製作するに当たっては、種々の特徴のある設計が行われているのが実情である。
【００１３】
発明者等は、上述のような知見から、成績効率（ＣＯＰ）が６〜８というような高効率のヒートポンプを用いることができるように蒸留塔（蒸留装置）の設計を行うことで、設備の複雑化やコストの増大を抑制しつつ、省エネルギー性に優れた蒸留装置を実現することができるのではないかと考え、さらに検討を行って本発明を完成した。
【００１４】
すなわち、本発明にかかる蒸留装置は、
低沸点成分を高沸点成分よりも少ない割合で含有する原料液の蒸留を行う第１蒸留塔と、
前記第１蒸留塔の、温度が７５℃以上９５℃以下の塔底液を再加熱するリボイラと、
前記第１蒸留塔の塔頂から取り出される第１塔頂ベーパを、第１コンデンサ用循環冷却水により冷却して、第１凝縮液と、前記第１凝縮液よりも低沸点成分を高い割合で含む第１ベーパとに分離する第１コンデンサと、
前記第１コンデンサにおいて前記第１塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した、温度が４５℃以上９０℃未満の前記第１コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記リボイラに、温度が８０℃以上１００℃未満で、かつ前記第１コンデンサ用循環冷却水よりも温度が１０℃以上３５℃以下の範囲で高い高温水として供給するように構成されたヒートポンプと、
前記第１コンデンサにおける不凝縮ガスである前記第１ベーパを、下記第２凝縮液と気液接触させて蒸留する第２蒸留塔と、
前記第２蒸留塔の塔頂から取り出される第２塔頂ベーパを、第２コンデンサ用循環冷却水により冷却して凝縮させ、低沸点成分を主成分とする第２凝縮液を回収する第２コンデンサと、
前記第１コンデンサにおける前記第１凝縮液を、前記第１蒸留塔用の還流液として前記第１蒸留塔に還流させる第１還流路と、  
前記第２コンデンサにおける前記第２凝縮液の一部を、前記第２蒸留塔用の還流液として前記第２蒸留塔に還流させる第２還流路と、
前記高温水の温度が８０℃以上１００℃未満、前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度が４５℃以上９０℃未満、前記高温水の温度が前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１０℃以上３５℃以下の範囲で高く、かつ、前記第１蒸留塔の前記塔底液の温度が７５℃以上９５℃以下という条件が確保される操作圧となるように、前記第２コンデンサを経て真空吸引し、系内を減圧にする真空ポンプと
を備えていることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の蒸留装置においては、
前記高温水の温度が９０℃以上１００℃未満であり、
前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度が６０℃以上９０℃未満であり、
前記高温水の温度が前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１０℃以上３０℃以下の範囲で高く、かつ、
前記第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が８５℃以上９５℃以下となるような操作圧で操作されるように構成されていること
が好ましい。
【００１６】
また、前記第１蒸留塔に供給される前記原料液に含まれる低沸点成分の濃度が０．１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下で、前記第１蒸留塔の塔底から排出される排出液の低沸点成分の濃度が１ｗｔ％以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の蒸留装置は、上述のように構成されており、真空ポンプにより第２コンデンサを経て真空吸引し、系内を減圧にすることで、ヒートポンプにおいて温度レベルを上げてリボイラに供給する高温水の温度（以下「温度Ａ」ともいう）が８０℃以上１００℃未満、ヒートポンプに送られて熱回収される第１コンデンサ用循環冷却水の温度（以下「温度Ｂ」ともいう）が４５℃以上９０℃未満、高温水の温度Ａが第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂよりも１０℃以上３５℃以下の範囲で高く、第１蒸留塔の塔底液の温度が７５℃以上９５℃以下という条件が確保される操作圧となるようにすることが可能になる。
その結果、ヒートポンプを効率よく稼働させて、エネルギーの消費を抑制することが可能な、省エネルギー性に優れた蒸留装置を提供することができる。
【００１８】
すなわち、本発明によれば、第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が７５℃以上９５℃以下となるような操作圧とする（原料液が、例えば低沸点成分がアセトン、高沸点成分が水であるような場合には、２５ｋＰａＡ以上大気圧以下の操作圧とする）ことで、ヒートポンプにおいて上昇させるべき温度レベル幅が１０℃以上３５℃以下と、通常のヒートポンプにおいて上昇させるべき温度レベル幅（通常は４０℃以上８５℃以下）よりも小さい温度幅でもヒートポンプの使用が可能になるため、通常のヒートポンプを用いる場合に比べて、高い成績効率（ＣＯＰ）で熱回収を行うことが可能になり、省エネルギー性を向上させることができるようになる。
【００１９】
本発明の蒸溜装置においては、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを高温水の温度Ａにできるだけ近づけるため、第１コンデンサを、第１蒸留塔の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）の一部のみを凝縮させることで、第１コンデンサの凝縮温度を高く保つことができるようにしている。そして、その結果として、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを、８０℃以上１００℃未満という高温水の温度Ａに近い温度、すなわち、４５℃以上９０℃未満という温度に設定することができるようになる。
【００２０】
一方、蒸留対象となる流体の沸点は、大気圧下であればヒートポンプの高温水側の温度を超えることがあるが、これに対しては蒸留装置の操作圧を減圧にして、蒸留対象となる流体の沸点を９５℃未満に低下させることにより、ヒートポンプの適用を可能にしている。
【００２１】
蒸留装置の対象液は、さまざまであり、蒸留塔の塔底側の必要熱量と、塔頂側の必要熱量との間に大きな差がある場合には、蒸留塔を２塔に分割し、1塔目の蒸留塔にヒートポンプを適用することで、より消費エネルギーの少ない蒸留システムを構成することができる。
【００２２】
すなわち、本発明では、１塔目の蒸留塔（第１蒸留塔）において、目的成分（低沸点成分）を中間濃度まで濃縮する蒸留を行い、２塔目の蒸留塔（第２蒸留塔）において、目的成分（低沸点成分）を高濃度にまで濃縮する蒸留を行うことで、第１蒸留塔に成績効率（ＣＯＰ）が６〜８である高効率ヒートポンプを付加して、より消費エネルギーの少ない蒸留装置を実現するようにしている。
【００２３】
言い換えると、本発明では、上述のように、第１蒸留塔の塔頂における目的成分（低沸点成分）の濃度を中間濃度とすることで、第１蒸留塔の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）を冷却する第１コンデンサ内における凝縮温度を高く維持することを可能にし、ヒートポンプの低温水の温度（すなわち第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂ）を例えば、４５℃以上９０℃未満（より好ましくは、６０℃以上９０℃未満）と、９５℃である高温水の温度Ａに極めて近い温度とすることで、高ＣＯＰのヒートポンプを用いることを可能にしている。
【００２４】
また、本発明の蒸留装置においては、ヒートポンプの動力が第１蒸留塔のリボイラに熱量として加算され、第１コンデンサでの冷却熱量がリボイラで加えられた熱量に対して不足するため、第２蒸留塔においては余剰熱を利用することが可能で、第２蒸留塔の熱負荷が小さくなる。すなわち、第２蒸留塔では、第１蒸留塔の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）を冷却する第１コンデンサを通過する余剰熱（第１コンデンサで凝縮せずに、第１コンデンサを通過した第１ベーパが有する熱）を利用して、低沸点成分を高濃度にまで蒸留することができる。その結果、第２蒸留塔にはリボイラが不要になる。ただし、第２蒸留塔でエネルギーが不足する場合は、リボイラを追加する。
【００２５】
さらに、本発明によれば、上述のように、第２蒸留塔の熱負荷が小さくなるので、第２蒸留塔の塔径を、第１蒸留塔の塔径よりも小さくする（例えば１／３〜２／３にする）ことが可能になり設備コストの大幅な低減が期待できる。
【００２６】
また、第２蒸留塔の塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）は第２コンデンサ（濃縮コンデンサ）で冷却されて凝縮し、一部は還流液として第２蒸留塔に供給され、残りは回収溶剤（留出液）として系外に取り出される。
【００２７】
なお、第２コンデンサ（濃縮コンデンサ）においては、冷却水として、第２蒸留塔の塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）を十分に凝縮させることが可能な低温の冷却水が用いられる、これにより、不凝縮ガス以外の低沸点成分は、全て液（留出液）として回収されることになる。
【００２８】
また、前記高温水の温度Ａを９０℃以上１００度未満とし、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを６０℃以上９０℃未満とし、かつ、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを高温水の温度Ａよりも１０℃以上３０℃以下の範囲で低い温度とし、操作圧を第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が８５℃以上９５℃以下となるような操作圧（原料液が、例えば低沸点成分がアセトン、高沸点成分が水であるような場合には、２５ｋＰａＡ以上大気圧以下の操作圧）とした場合、さらに高い成績効率（ＣＯＰ）で熱回収を行うことが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。
【００２９】
また、本発明の蒸留装置においては、第１蒸留塔に供給される原料液の低沸点成分濃度を０．１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下の範囲とし、第１蒸留塔の塔底から排出される排出液の低沸点成分濃度を１ｗｔ％以下とする場合において、効率のよい蒸留を行って、省エネルギー効果を確保しつつ、低沸点成分を分離、回収することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる蒸留装置の構成を示すフローシートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
【００３２】
なお、本実施形態では、低沸点成分であるアセトン１．０ｗｔ％を含み、残部（９９．０ｗｔ％）を高沸点成分である水とする原料液（被処理液）を蒸留してアセトンを分離、回収するための蒸留装置を例にとって説明する。
【００３３】
本実施形態にかかる蒸留装置１００は、ヒートポンプを用いて省エネルギー性の向上を図った蒸留装置である。
【００３４】
図１に示すように、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第１蒸留塔１と、リボイラ１ａと、第１蒸留塔１の塔頂から取り出される塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）を冷却する第１コンデンサ１１とを備えている。
【００３５】
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第１コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うヒートポンプＨＰと、第１コンデンサ１１における不凝縮ガス（第１ベーパ）の蒸留を行う第２蒸留塔２と、第２蒸留塔２の塔頂から取り出される塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）不凝縮ガスを冷却する第２コンデンサ２２とを備えている。
【００３６】
そして、第２蒸留塔２は、第１コンデンサ１１における不凝縮ガス（第１ベーパ）を、第２コンデンサ２２の凝縮液（第２凝縮液）と気液接触させて蒸留を行うように構成されている。
なお、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第２コンデンサ２２を経て真空吸引し、系内を減圧にする真空ポンプ３４を備えている。
【００３７】
さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第１コンデンサ１１の凝縮液を、第１蒸留塔１に還流させる第１還流路３１と、第２コンデンサ２２の凝縮液を、第２蒸留塔２に還流させる第２還流路３２とを備えている。
以下、詳しく説明する。
【００３８】
本発明の蒸留装置１００が備える第１蒸留塔１は、アセトンを１．０ｗｔ％の割合で含むアセトン水溶液（水９９．０ｗｔ％）である原料液の蒸留を行う蒸留塔である。第１蒸留塔１としては、例えば、棚段塔、充填塔など種々の構成のものを用いることが可能である。本実施形態では充填塔を用いている。
【００３９】
また、リボイラ１ａは、第１蒸留塔１の塔底液を再加熱するものであり、再加熱された塔底液は第１蒸留塔１に戻される。なお、リボイラ１ａは、後述のヒートポンプＨＰからの９５℃の高温水を用いた間接型熱交換器であって、このリボイラ１ａで加熱されることによりベーパを発生させる。
【００４０】
第１蒸留塔１ではリボイラ１ａで発生したベーパと、予熱器４１を通過して昇温した原料液（供給液）と、第１コンデンサ１１で凝縮した凝縮液である還流液とを気液接触させることで、アセトンの蒸留を行い、アセトンが分離（除去）された塔底液（缶出液）が系外に排出される一方、原料液よりも高い割合でアセトンを含む、塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）が第１コンデンサ１１に供給される。
【００４１】
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００が備える第１コンデンサ１１は、第１蒸留塔１の塔頂から取り出される塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）を、第１コンデンサ用循環冷却水により冷却して、第１凝縮液と、第１凝縮液よりもアセトンを高い割合で含む第１ベーパとに分離するものである。そして、凝縮液は第１蒸留塔１の塔頂へ還流液として還流される。
【００４２】
すなわち、第１コンデンサ１１では、主として高沸点成分(水)が凝縮し、アセトン３．３ｗｔ％を含む凝縮液（アセトン水溶液）は、還流液として、第１蒸留塔１の塔頂に戻される。
【００４３】
さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、ヒートポンプＨＰを備えており、このヒートポンプＨＰは、第１コンデンサ１１で第１塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した第１コンデンサ用循環冷却水（本実施形態では６５℃）から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げてリボイラ１ａに高温水（本実施形態では９５℃）として供給することができるように構成されている。
【００４４】
すなわち、本発明にかかる蒸留装置１００において、ヒートポンプＨＰは、例えば、第１コンデンサ１１で用いられた４５℃以上９０℃未満の温度Ｂの第１コンデンサ用循環冷却水から熱を回収し、電力により温度レベルを１０℃以上３５℃以下の範囲で上昇させ、８０℃以上１００℃未満の温度Ａでリボイラ１ａに供給することで熱エネルギーを循環再利用するものである。
【００４５】
なお、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第１コンデンサ１１で第１塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した第１コンデンサ用循環冷却水側（冷水側）と、電力により熱エネルギーレベルを上げてリボイラ１ａに供給される高温水側（温水側）との温度差を、従来用いられているヒートポンプの場合よりも小さくすることで、高ＣＯＰで熱回収を行うことができるようにしたことを、いくつかの特徴を有する構成のうちでも、大きな特徴を有する構成としている。
【００４６】
具体的には、第１コンデンサ１１で第１塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した温度が６５℃の第１コンデンサ用循環冷却水がヒートポンプＨＰにおいて熱回収され、温度が６０℃に低下した第１コンデンサ用循環冷却水が第１コンデンサ１１に循環供給されるように構成されている。
【００４７】
一方、ヒートポンプＨＰにおいて、電力により温度レベルが９５℃に上げられた高温水側循環水（高温水）は、リボイラ１ａに供給され、リボイラ１ａで用いられて温度が９０℃に低下した高温水側循環水は、ヒートポンプＨＰに戻されて、温度レベルが９５℃に上げられた後、再びリボイラ１ａに供給されるように構成されている。
【００４８】
さらに、本実施形態の蒸留装置１００は、第１コンデンサ１１における不凝縮ガスである第１ベーパを、蒸留する第２蒸留塔２を備えているとともに、第２蒸留塔２の塔頂から取り出される塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）を冷却する第２コンデンサ２２を備えている。
【００４９】
第２蒸留塔２は、第１コンデンサ１１における不凝縮ガスである第１ベーパを第２コンデンサ２２で凝縮した第２凝縮液と気液接触させて蒸留し、塔頂からさらにアセトン濃度の高い塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）を取り出す蒸留塔である。第２蒸留塔２としては、例えば、棚段塔、充填塔など種々の構成のものを用いることが可能である。本実施形態では充填塔を用いている。
【００５０】
すなわち、第２蒸留塔２では、アセトン濃度の高い、第１コンデンサ１１の不凝縮ガスが蒸留されることにより、アセトンが選択的に第２コンデンサ２２に抜き出される。その結果、第１コンデンサ１１内の温度を高く保ち、冷媒である第１コンデンサ用循環冷却水の温度を、例えば、６０〜６５℃と高くすることが可能になり、上述のように、第１コンデンサ用循環冷却水側と、リボイラ１ａに供給される高温水側との温度差を小さくして、高ＣＯＰで熱回収を行うことが可能になる。
【００５１】
この第２コンデンサ２２は、第２蒸留塔２の塔頂ベーパである第２塔頂ベーパを第２コンデンサ用循環冷却水により冷却して、第２塔頂ベーパに含まれるアセトンと水を凝縮させる機能を果たす。
【００５２】
なお、第２コンデンサ用循環冷却水としては、第２塔頂ベーパに含まれるアセトンと水とを十分に凝縮させることが可能な温度の冷却水が用いられる。
【００５３】
そして、第２コンデンサ２２において凝縮した凝縮液の一部が回収溶剤として回収され、他の凝縮液は、第２蒸留塔２の塔頂へ還流液として還流される。
【００５４】
本実施形態の蒸留装置１００は、第１コンデンサ１１における凝縮液を、第１蒸留塔１用の還流液として第１蒸留塔１に還流させることができるように第１還流路３１を備えている。
【００５５】
また、第２コンデンサ２２における凝縮液を、第２蒸留塔２用の還流液として第２蒸留塔２に還流させることができるように第２還流路３２を備えている。
【００５６】
さらに説明すると、本実施形態の蒸留装置１００においては、真空ポンプ３４により第２コンデンサを経て系内の気体を排出することにより、第１蒸留塔１の塔底から排出される塔底液（缶出液）の温度が７５℃以上９５℃以下となるような操作圧（例えば、２５ｋＰａＡ以上大気圧以下）で操作されるようにして、ヒートポンプＨＰにて温度レベルを上げてリボイラ１ａに供給する高温水の温度Ａが８０℃以上１００℃未満となるように構成されている。
【００５７】
また、ヒートポンプＨＰに送られて熱回収される第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが４５℃以上９０℃未満となるように構成されている。
【００５８】
さらに、ヒートポンプＨＰに送られて熱回収されるべき第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが上述の高温水の温度Ａよりも１０℃以上３５℃以下の範囲で低い温度となるように構成されている。
【００５９】
本実施形態にかかる蒸留装置１００は、上述のように構成されており、ヒートポンプＨＰにおいて温度レベルを上げてリボイラ１ａに供給する高温水の温度Ａが８０℃以上１００℃未満、ヒートポンプＨＰに送られて熱回収される第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが４５℃以上９０℃未満であり、かつ、ヒートポンプＨＰに送られて熱回収されるべき第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが温度Ａよりも１０℃以上３５℃以下の範囲で低い温度とされ、かつ、第１蒸留塔１の塔底から排出される缶出液の温度が７５℃以上９５℃以下の範囲でとなるような操作圧（例えば、２５ｋＰａＡ以上大気圧以下）で操作されるように構成されていることから、ヒートポンプＨＰを効率よく稼働させることが可能になり、装置全体としてのバランスを保ちつつ、高い成績効率（ＣＯＰ）で熱回収を行って、省エネルギー性を向上させることができる。
【００６０】
すなわち、本実施形態にかかる蒸留装置１００によれば、ヒートポンプＨＰにおいて上昇させるべき温度レベルが１０℃以上３５℃以下の範囲であり、通常のヒートポンプを用いる場合に比べて、ヒートポンプで上昇させるべき温度レベルの幅が小さいため、ヒートポンプＨＰにおけるエネルギーの消費量を抑えて、高い成績効率（ＣＯＰ）で熱回収を行うことができる。
【００６１】
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第１蒸留塔１に供給される原料液を、アセトン濃度が１．０ｗｔ％のアセトン水溶液とし、第１蒸留塔１の塔底から排出される排出液のアセトン濃度が０．０００２ｗｔ％（２ｐｐｍ）となるようにしている。
【００６２】
このような状況において、本実施形態の蒸留装置１００を適用することにより、効率のよい蒸留を行って省エネルギーを図りつつ、原料液から低沸点成分であるアセトンを確実に分離、回収することが可能になる。
【００６３】
本実施形態にかかる蒸留装置１００は、上述のように構成されており、「第１蒸留塔１の塔底から排出される塔底液（缶出液）の温度が７５℃以上９５℃以下となるような操作圧（例えば、２５ｋＰａＡ以上大気圧以下）で操作され、リボイラ１ａに供給する高温水の温度Ａが８０℃以上１００℃未満、ヒートポンプＨＰに送られて熱回収される第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂが４５℃以上９０℃未満であり、かつ、温度Ｂが温度Ａよりも１０℃以上３５℃以下の範囲で低い温度である」という、本発明の特徴的な条件で装置を稼働させることが可能になり、全体的なバランスを破綻させることなく、省エネルギーを図ることができる。
【００６４】
また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、ヒートポンプＨＰの動力は第１蒸留塔１のリボイラ１ａに熱量として加算され、第１コンデンサ１１における冷却熱量が、リボイラ１ａで加えられた熱量に対して不足するため、第２蒸留塔においては余剰熱を利用することが可能になり、第２蒸留塔２における熱負荷が小さくなる。その結果、第２蒸留塔２の塔径を第１蒸留塔１の塔径よりも小さくすることが可能になり、設備コストの低減を図ることができる。
【００６５】
次に、本実施形態にかかる蒸留装置１００を用いてアセトンと水を含む原料液（被処理液）の蒸留を行った場合の運転結果の一例について説明する。
【００６６】
本実施形態にかかる蒸留装置１００を用いて原料液の蒸留を行うに当たっては、原料液として、温度：２５℃、アセトン濃度：１．０ｗｔ％のアセトン水溶液を、予熱器４１、リボイラ１ａを経て、３０００ｋｇ／ｈｒの割合で第１蒸留塔１に供給した。
ここで、第１蒸留塔１に供給される原料液中のアセトンの量は１時間当たり３０ｋｇとなる。
【００６７】
一方、第１蒸留塔１の塔底液として、温度：２８℃、アセトン濃度：２ｐｐｍの水（ほとんどのアセトンが分離された処理液）を２９７０ｋｇ／ｈｒの割合で系外に排出した。
【００６８】
ここで、塔底液として系外に排出されるアセトンは、約０．５０ｋｇ／ｈｒ（２９７０ｋｇ／ｈｒ×２×１／１０-6＝０．５ｋｇ／ｈｒ）となる。
【００６９】
また、第２蒸留塔２においては、塔頂から塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）として、温度：４３℃、アセトン濃度：９８．３ｗｔ％のベーパが２５６ｋｇ／ｈｒの割合で取り出される。
【００７０】
さらに、第２コンデンサ２２においては、第２蒸留塔２の塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）が冷却され、凝縮することで、温度：４３℃、アセトン濃度：９８．３ｗｔ％の凝縮液が２５６ｋｇ／ｈｒの割合で回収される。
【００７１】
そして、２５６ｋｇ／ｈｒの凝縮液のうち、２２６ｋｇ／ｈｒ（アセトン濃度：９８．３ｗｔ％）が第２蒸留塔２に還流される一方、回収溶剤として、アセトン濃度が９８．３ｗｔ％の回収溶剤が３０ｋｇ／ｈｒの割合で回収される。
【００７２】
ここで、回収溶剤として回収されるアセトンは、約２９．５ｋｇ（３０ｋｇ／ｈｒ×０．９８３＝約２９．５ｇ）となる。
【００７３】
また、本実施形態における蒸留装置１００全体の消費エネルギー、すなわち、電力消費量は、ヒートポンプＨＰで電力消費量５０ｋＷと、各種ポンプ（循環ポンプ、移送ポンプ、還流ポンプ、真空ポンプなど）などの消費電力を合わせて約８０ｋＷ程度であった。
【００７４】
これに対し、従来の昇温幅の大きいヒートポンプを用い、第１コンデンサにおいて塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した３５℃の循環冷却水から熱回収を行い、回収した熱を電力により温度レベルを上げて９５℃の高温水をリボイラに供給するように構成された蒸留装置（参考例の蒸留装置）の場合、装置全体の消費エネルギー、すなわち、電力消費量は、２００ｋＷ程度となる。
【００７５】
したがって、本実施形態にかかる蒸留装置１００を用いることにより、上述の従来のヒートポンプを用いた参考例の蒸留装置の場合に比べて、電力消費量を約４０％程度にまで低減することが可能になり、省エネルギーの見地から、本発明が大きな意義を有するものであることがわかる。
【００７６】
なお、上記実施形態で説明し、あるいは、図１に示した、原料液、塔底液、第１および第２凝縮液、第１および第２ベーパなどに関する各種の量や、温度、アセトン濃度、消費エネルギー（ｋＷ）、圧力などの値は、あくまでも例示であって、本発明は、それらの値が上記実施形態の値とは異なる値となる場合を排除するものではない。
【００７７】
また、上記実施形態では、低沸点成分がアセトン、高沸点成分が水である原料液を蒸留してアセトンを回収する場合を例にとって説明したが、本発明において、低沸点成分と高沸点成分の種類は上記実施形態に限定されるものではなく、低沸点成分がメタノール、クロロフォルム、ベンゼンなどであったり、高沸点成分が酢酸、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、トルエンなどであったりしてもよい。
【００７８】
また、上記実施形態では、第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が８５℃以上９５℃以下となるような操作圧で操作されるように構成しているが、高温水の温度Ａを９０℃以上１００℃未満とし、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを６０℃以上９０℃未満とし、かつ、第１コンデンサ用循環冷却水の温度Ｂを高温水の温度Ａよりも１０℃以上３０℃以下の範囲で低い温度とし、操作圧を第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が８５℃以上９５℃以下となるような操作圧とすることで、さらに高い成績効率（ＣＯＰ）で熱回収を行うことが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。
【００７９】
本発明は、さらにその他の点においても上記実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲内において、応用、変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１        第１蒸留塔
２        第２蒸留塔
１ａ      リボイラ
１１      第１コンデンサ
２２      第２コンデンサ
３１      第１コンデンサの凝縮液を第１蒸留塔に還流させる第１還流路
３２      第２コンデンサの凝縮液を第２蒸留塔に還流させる第２還流路
３４      真空ポンプ
４１      予熱器
１００    蒸留装置
ＨＰ      ヒートポンプ
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低沸点成分を高沸点成分よりも少ない割合で含有する原料液の蒸留を行う第１蒸留塔と、
前記第１蒸留塔の、温度が７５℃以上９５℃以下の塔底液を再加熱するリボイラと、
前記第１蒸留塔の塔頂から取り出される第１塔頂ベーパを、第１コンデンサ用循環冷却水により冷却して、第１凝縮液と、前記第１凝縮液よりも低沸点成分を高い割合で含む第１ベーパとに分離する第１コンデンサと、
前記第１コンデンサにおいて前記第１塔頂ベーパの冷却に用いられて昇温した、温度が４５℃以上９０℃未満の前記第１コンデンサ用循環冷却水から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記リボイラに、温度が８０℃以上１００℃未満で、かつ前記第１コンデンサ用循環冷却水よりも温度が１０℃以上３５℃以下の範囲で高い高温水として供給するように構成されたヒートポンプと、
前記第１コンデンサにおける不凝縮ガスである前記第１ベーパを、下記第２凝縮液と気液接触させて蒸留する第２蒸留塔と、
前記第２蒸留塔の塔頂から取り出される第２塔頂ベーパを、第２コンデンサ用循環冷却水により冷却して凝縮させ、低沸点成分を主成分とする第２凝縮液を回収する第２コンデンサと、
前記第１コンデンサにおける前記第１凝縮液を、前記第１蒸留塔用の還流液として前記第１蒸留塔に還流させる第１還流路と、  
前記第２コンデンサにおける前記第２凝縮液の一部を、前記第２蒸留塔用の還流液として前記第２蒸留塔に還流させる第２還流路と、
前記高温水の温度が８０℃以上１００℃未満、前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度が４５℃以上９０℃未満、前記高温水の温度が前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１０℃以上３５℃以下の範囲で高く、かつ、前記第１蒸留塔の前記塔底液の温度が７５℃以上９５℃以下という条件が確保される操作圧となるように、前記第２コンデンサを経て真空吸引し、系内を減圧にする真空ポンプと
を備えていることを特徴とする蒸留装置。
【請求項２】
前記高温水の温度が９０℃以上１００℃未満、
前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度が６０℃以上９０℃未満、
前記高温水の温度が前記第１コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１０℃以上３０℃以下の範囲で高く、かつ、
前記第１蒸留塔の塔底から排出される塔底液の温度が８５℃以上９５℃以下となるように構成されていること
を特徴とする請求項１記載の蒸留装置。
【請求項３】
前記第１蒸留塔に供給される前記原料液に含まれる低沸点成分の濃度が０．１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下で、前記第１蒸留塔の塔底から排出される排出液の低沸点成分の濃度が１ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の蒸留装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2020001009.tif 000004