(57)【要約】【課題】消費エネルギーを低減する。【解決手段】蒸留装置１００は、低沸点成分および低沸点成分より沸点が高い高沸点成分を含む原料ガスを加圧状態で収容する加圧容器と、加圧容器に収容された原料ガスを加熱する加熱部１２４とを有するリボイラ部１２０と、リボイラ部１２０に配管１３０（接続通路）を介して接続され、加圧容器より低圧に保持される低圧容器を有するコンデンサ部１５０と、配管１３０に設けられた保圧弁１３２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを加圧状態で収容する加圧容器と、前記加圧容器に収容された前記原料ガスを加熱する加熱部とを有するリボイラ部と、
前記リボイラ部に接続通路を介して接続され、前記加圧容器より低圧に保持される低圧容器を有するコンデンサ部と、
前記接続通路に設けられた保圧弁と、
を備える蒸留装置。
【請求項２】
前記コンデンサ部は、冷却部を有する請求項１に記載の蒸留装置。
【請求項３】
前記低圧容器の圧力は、大気圧以上の圧力である請求項１または２に記載の蒸留装置。
【請求項４】
前記低圧容器に吸入側が接続され、吐出側が前記加圧容器に接続される還流ポンプを備える請求項１から３のいずれか１項に記載の蒸留装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、低沸点成分および高沸点成分を含む原料ガスを分離する蒸留装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルコール飲料、食用油、石油化学製品等の蒸留、アンモニアの除去、二酸化炭素の回収、および、医薬品の製造等に蒸留装置が用いられている。蒸留装置は、低沸点成分および高沸点成分を含む原料液を、留出液と缶出液とに分離する装置である。
【０００３】
このような蒸留装置として、複数の棚が内部に設けられた蒸留塔と、リボイラと、コンデンサとを備えた装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の蒸留装置では、蒸留塔の中央に原料液が供給される。リボイラは、蒸留塔の底部から排出された液を加熱して蒸気を生成する。リボイラによって生成された蒸気は、蒸留塔の底部に還流される。コンデンサは、蒸留塔の頂部から排出された蒸気を冷却して留出液を生成する。コンデンサによって生成された留出液の一部は、蒸留塔の頂部に還流される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０８９６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記蒸留装置を用い、大気圧下で気体として存在する原料ガスを分離したいという要望がある。この場合、原料ガスの少なくとも一部が液化する程度まで蒸留塔およびリボイラを加圧状態とする必要がある。一方、分離後の留出物（原料ガスより低沸点成分が高濃度の分離物）は液体である必要はないため、蒸留塔やリボイラと同程度までコンデンサを加圧する必要はない。
【０００６】
しかし、上記蒸留装置は、蒸留塔、リボイラ、および、コンデンサが連通しているため、コンデンサのみを他より低圧にすることができない。このため、コンデンサを不要に加圧することになり、コンデンサの加圧に要する消費エネルギーが無駄になるという問題があった。
【０００７】
本開示は、このような課題に鑑み、消費エネルギーを低減することが可能な蒸留装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本開示の一態様にかかる蒸留装置は、原料ガスを加圧状態で収容する加圧容器と、前記加圧容器に収容された前記原料ガスを加熱する加熱部とを有するリボイラ部と、前記リボイラ部に接続通路を介して接続され、前記加圧容器より低圧に保持される低圧容器を有するコンデンサ部と、前記接続通路に設けられた保圧弁と、を備える。
【０００９】
また、前記コンデンサ部は、冷却部を有してもよい。
【００１０】
また、前記低圧容器の圧力は、大気圧以上の圧力であってもよい。
【００１１】
また、前記低圧容器に吸入側が接続され、吐出側が前記加圧容器に接続される還流ポンプを備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、消費エネルギーを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】蒸留装置の概略的な構成を説明する図である。
【図２】第１分離ユニットの分解斜視図である。
【図３】第２分離ユニットの分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１５】
（蒸留装置１００）
図１は、蒸留装置１００の概略的な構成を説明する図である。なお、図１中、液体の流れを実線の矢印で示し、気体の流れを破線の矢印で示す。蒸留装置１００は、低沸点成分と、低沸点成分より沸点が高い高沸点成分とを含む原料ガスを、留出ガスと、缶出ガスとに分離する装置である。留出ガスは、原料ガスより低沸点成分が高濃度のガスである。缶出ガスは、原料ガスより高沸点成分が高濃度のガスである。なお、原料ガス、留出ガス、缶出ガスは、大気圧下で気体状態である。
【００１６】
図１に示すように、蒸留装置１００は、原料ガス貯留容器１１０と、原料ガス供給ポンプ１１２と、リボイラ部１２０と、第１の保圧弁１３２と、缶出ガス排出ポンプ１４０と、缶出ガス貯留容器１４２と、減圧弁１４４と、コンデンサ部１５０と、還流ポンプ１６０と、留出ガス排出ポンプ１７０と、留出ガス貯留容器１７２と、第２の保圧弁１７４とを含んで構成される。
【００１７】
原料ガス貯留容器１１０は、原料ガスを貯留する容器（タンク）である。原料ガス貯留容器１１０は、配管１１０ａを介して原料ガス供給ポンプ１１２の吸入側に接続される。原料ガス供給ポンプ１１２は、吐出側が、配管１１０ｂを介してリボイラ部１２０の第１分離ユニット１２２（通過口２１２ａ）に接続される。原料ガス供給ポンプ１１２は、加圧ポンプで構成される。原料ガス供給ポンプ１１２は、原料ガス貯留容器１１０に貯留された原料ガスを加圧して液化し、液化された原料ガス（原料液）をリボイラ部１２０（通過口２１２ａ）に供給する。
【００１８】
リボイラ部１２０は、第１分離ユニット１２２と、加熱部１２４とを含んで構成される。第１分離ユニット１２２は、ステンレス鋼等の金属材料で構成され、内部に原料ガス（原料液）を収容する。第１分離ユニット１２２は、原料ガスの少なくとも一部が液体となる程度の加圧状態で原料ガスを収容する。加熱部１２４は、例えば、電気ヒータ、オイルヒータ等で構成され、第１分離ユニット１２２を加熱する。加熱部１２４は、第１分離ユニット１２２内を第１の温度に加熱する。なお、第１の温度は、低沸点成分の沸点以上であり、高沸点成分の沸点未満の所定の温度である。
【００１９】
図２は、第１分離ユニット１２２の分解斜視図である。本実施形態の図２では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。図２に示すように、第１分離ユニット１２２は、本体２１０（加圧容器）と、リブ２２０とを含んで構成される。
【００２０】
本体２１０は、金属材料で形成された角柱形状の中空部材である。本体２１０は、底面２１２と、上面２１４と、側面２１６とを含んで構成される。底面２１２の一端側には、原料液供給口として機能する通過口２１２ａが形成されている。底面２１２の他端側には、缶出液排出口として機能する通過口２１２ｂが形成されている。つまり、通過口２１２ａと、通過口２１２ｂとは互いに離隔して底面２１２に形成される。
【００２１】
また、上面２１４の一端側には、蒸気排出口として機能する通過口２１４ａが形成されている。通過口２１４ａは、通過口２１２ａに対向して設けられる。
【００２２】
リブ２２０は、底面２１２から立設し、通過口２１２ａ側から通過口２１２ｂ側に延在した部材である。リブ２２０は、複数（ここでは、６個）設けられる。本実施形態において、リブ２２０は、基端２２２の幅（図２中Ｘ軸方向の幅）が、先端２２４の幅より大きい。また、リブ２２０の先端２２４は、上面２１４と離隔している。
【００２３】
第１分離ユニット１２２の寸法関係について説明する。隣り合うリブ２２０の基端２２２間の距離は、例えば、１ｍｍ程度である。隣り合うリブ２２０の先端２２４間の距離は、例えば、２ｍｍ程度である。リブ２２０の高さ（基端２２２から先端２２４までの高さ、図２中Ｚ軸方向の高さ）は、例えば、３ｍｍ程度である。また、リブ２２０の先端２２４と上面２１４との距離は、例えば、１００μｍ〜１０ｍｍ程度（ここでは、１ｍｍ）である。さらに、通過口２１２ａの中心から通過口２１２ｂの中心までの長さＬは、例えば、１５０ｍｍである。
【００２４】
また、本実施形態において、第１分離ユニット１２２（底面２１２、上面２１４）は、通過口２１２ａ（原料液供給口）から通過口２１２ｂ（缶出液排出口）に向かって鉛直下方（図２中Ｚ軸方向）に傾斜している。なお、第１分離ユニット１２２の傾斜角は、例えば、２．５度程度である。
【００２５】
図１に戻って説明すると、リボイラ部１２０を構成する第１分離ユニット１２２の通過口２１４ａ（蒸気排出口）は、配管１３０（接続通路）を介してコンデンサ部１５０の第２分離ユニット１５２（通過口３１４ｂ）に接続される。保圧弁１３２は、配管１３０に設けられる。保圧弁１３２は、第１分離ユニット１２２内の圧力が圧力Ｐ１以下である場合には閉弁している。一方、保圧弁１３２は、第１分離ユニット１２２内の圧力が圧力Ｐ１を上回ると開弁する。なお、圧力Ｐ１は、大気圧を上回る所定の圧力である。つまり、保圧弁１３２は、第１分離ユニット１２２内の圧力を圧力Ｐ１（加圧状態）に維持する。第１分離ユニット１２２内の圧力が圧力Ｐ１を上回り、保圧弁１３２が開弁すると、第１分離ユニット１２２内からコンデンサ部１５０（第２分離ユニット１５２内）に蒸気が導入される。
【００２６】
また、リボイラ部１２０を構成する第１分離ユニット１２２の通過口２１２ｂ（缶出液排出口）は、配管１４０ａを介して缶出ガス排出ポンプ１４０の吸入側に接続される。缶出ガス排出ポンプ１４０は、吐出側が、配管１４０ｂを介して缶出ガス貯留容器１４２に接続される。配管１４０ａには、減圧弁１４４が設けられる。減圧弁１４４は、通過口２１２ｂから排出された缶出液を減圧して気化（ガス化）させる。
【００２７】
缶出ガス排出ポンプ１４０は、減圧弁１４４を介して、第１分離ユニット１２２から缶出液を抜き出す。抜き出された缶出液は、減圧弁１４４で減圧されて気化されるため、缶出ガス排出ポンプ１４０は、気化された缶出液（缶出ガス）を缶出ガス貯留容器１４２に送出する。こうして、リボイラ部１２０から抜き出された缶出ガスは、缶出ガス貯留容器１４２に貯留される。
【００２８】
コンデンサ部１５０は、第２分離ユニット１５２と、冷却部１５４とを含んで構成される。第２分離ユニット１５２は、ステンレス鋼等の金属材料で構成され、保圧弁１３２を通じて内部に蒸気が導入される。第２分離ユニット１５２は、蒸気の少なくとも一部が液体となる程度の加圧状態で蒸気を収容する。冷却部１５４は、例えば、空冷装置、水冷装置、油冷装置等で構成され、第２分離ユニット１５２を冷却する。冷却部１５４は、第２分離ユニット１５２内を第２の温度に冷却する。なお、第２の温度は、低沸点成分の沸点を上回る所定の温度である。
【００２９】
図３は、第２分離ユニット１５２の分解斜視図である。本実施形態の図３では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。図３に示すように、第２分離ユニット１５２は、本体３１０（低圧容器）と、リブ２２０とを含んで構成される。なお、上記第１分離ユニット１２２と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３０】
本体３１０は、金属材料で形成された角柱形状の中空部材である。本体３１０は、底面３１２と、上面３１４と、側面２１６とを含んで構成される。本体３１０の上面３１４の一端側には、留出ガス排出口として機能する通過口３１４ａが形成されている。上面３１４の他端側には、蒸気導入口として機能する通過口３１４ｂが形成されている。つまり、通過口３１４ａと、通過口３１４ｂとは互いに離隔して上面３１４に形成される。
【００３１】
また、底面３１２の他端側には、還流液排出口として機能する通過口３１２ａが形成されている。通過口３１２ａは、通過口３１４ｂに対向して設けられる。
【００３２】
本実施形態において、第２分離ユニット１５２（底面３１２、上面３１４）は、一端側から他端側（通過口３１２ａ側）に向かって鉛直下方（図３中Ｚ軸方向）に傾斜している（傾斜角は、例えば、２．５度程度）。
【００３３】
図１に戻って説明すると、コンデンサ部１５０を構成する第２分離ユニット１５２の通過口３１２ａ（還流液排出口）は、配管１６０ａを介して還流ポンプ１６０の吸入側に接続される。還流ポンプ１６０は、吐出側が、配管１６０ｂ、１１０ｂを介して、第１分離ユニット１２２の通過口２１２ａ（原料液供給口）に接続される。還流ポンプ１６０は、凝縮液を第２分離ユニット１５２内から抜き出して、リボイラ部１２０（第１分離ユニット１２２）内に導入する。
【００３４】
また、コンデンサ部１５０を構成する第２分離ユニット１５２の通過口３１４ａ（留出ガス排出口）は、配管１７０ａを介して、留出ガス排出ポンプ１７０の吸入側に接続される。留出ガス排出ポンプ１７０は、吐出側が、配管１７０ｂを介して、留出ガス貯留容器１７２に接続される。配管１７０ａには、保圧弁１７４が設けられる。保圧弁１７４は、第２分離ユニット１５２内の圧力が圧力Ｐ２以下である場合には閉弁している。一方、保圧弁１７４は、第２分離ユニット１５２内の圧力が圧力Ｐ２を上回ると開弁する。なお、圧力Ｐ２は、上記圧力Ｐ１（第１分離ユニット１２２内の圧力）未満であり大気圧を上回る所定の圧力である。つまり、保圧弁１７４は、第２分離ユニット１５２内の圧力を所定の圧力Ｐ２（第１分離ユニット１２２より低圧の加圧状態）に維持する。
【００３５】
留出ガス排出ポンプ１７０は、保圧弁１７４が開弁している間、駆動される。留出ガス排出ポンプ１７０は、保圧弁１７４を介して、第２分離ユニット１５２から押し出された留出ガスを留出ガス貯留容器１７２に送出する。こうして、コンデンサ部１５０から押し出された留出ガスは、留出ガス貯留容器１７２に貯留される。
【００３６】
続いて、蒸留装置１００による原料ガスの蒸留について説明する。まず、原料ガス供給ポンプ１１２によって、原料ガスが加圧されて液化され、第１分離ユニット１２２の通過口２１２ａ（原料液供給口）に供給される。上記したように、保圧弁１３２によって第１分離ユニット１２２内は加圧状態に維持され、また、第１分離ユニット１２２は、通過口２１２ａから通過口２１２ｂに向かって鉛直下方に傾斜している。このため、供給された原料液は、液体状態を維持しつつ、第１分離ユニット１２２内（リブ２２０間）を通過口２１２ｂに向かって流れる。
【００３７】
第１分離ユニット１２２は、加熱部１２４によって第１の温度（低沸点成分の沸点以上であり、高沸点成分の沸点未満の所定の温度）に加熱されている。このため、原料液は、第１分離ユニット１２２内を流れる過程で加熱される。これにより、第１分離ユニット１２２において、原料液から、低沸点成分を多く含む蒸気（気体）が生成される。
【００３８】
そして、低沸点成分を多く含む蒸気（以下、単に「蒸気」と称する）は、通過口２１４ａ、保圧弁１３２を通じて、第１分離ユニット１２２外に押し出される。一方、第１分離ユニット１２２において蒸気が取り除かれた液体（蒸発しなかった液体）は、缶出液として通過口２１２ｂを通じて、缶出ガス排出ポンプ１４０によって第１分離ユニット１２２外に抜き出される。なお、上記したように、通過口２１２ｂと缶出ガス排出ポンプ１４０とを接続する配管には減圧弁１４４が設けられている。このため、缶出液は減圧弁１４４によって減圧されて気化され、気化された缶出液（缶出ガス）が缶出ガス排出ポンプ１４０によって抜き出される。
【００３９】
第１分離ユニット１２２から押し出された蒸気は、保圧弁１３２、第２分離ユニット１５２の通過口３１４ｂを通じて、第２分離ユニット１５２内に導入される。第２分離ユニット１５２は、冷却部１５４によって、第２の温度（低沸点成分の沸点を上回る所定の温度）に冷却されている。このため、蒸気（流体）は、第２分離ユニット１５２内を流れる過程で冷却される。これにより、第２分離ユニット１５２において、蒸気中の高沸点成分が凝縮して液体（凝縮液）が生成される。
【００４０】
そして、凝縮液（流体）が取り除かれた蒸気（凝縮しなかった蒸気）は、留出ガスとして通過口３１４ａ、保圧弁１７４を通じて、留出ガス排出ポンプ１７０によって第２分離ユニット１５２外に抜き出される。
【００４１】
また、上記したように第２分離ユニット１５２は、一端側（通過口３１４ａ側）から他端側（通過口３１２ａ（還流液排出口）側）に向かって鉛直下方に傾斜している。このため、凝縮液は、第２分離ユニット１５２内（リブ２２０間）を通過口３１２ａに向かって流れる。
【００４２】
そして、凝縮液（流体）は、還流ポンプ１６０によって、第２分離ユニット１５２内（通過口３１２ａ）から抜き出され、第１分離ユニット１２２内（通過口２１２ａ）に導入される。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態の蒸留装置１００では、リボイラ部１２０（第１分離ユニット１２２）と、コンデンサ部１５０（第２分離ユニット１５２）とが別体に構成されている。また、リボイラ部１２０とコンデンサ部１５０とが保圧弁１３２を介して接続されている。これにより、リボイラ部１２０とコンデンサ部１５０とを異なる圧力にすることができる。したがって、保圧弁１３２を備えずにリボイラ部とコンデンサ部とが連通された従来技術とは異なり、原料ガスの少なくとも一部が液化する程度までリボイラ部１２０を加圧したとしても、コンデンサ部１５０の圧力をリボイラ部１２０の圧力未満とすることが可能となる。これにより、従来技術と比較して、コンデンサ部１５０の加圧に要する消費エネルギーを低減することができる。
【００４４】
また、コンデンサ部１５０の圧力を従来技術より低圧とすることができるため、冷却部１５４の消費エネルギーを低減して、原料ガスを蒸留することが可能となる。
【００４５】
また、本実施形態の蒸留装置１００では、還流ポンプ１６０がコンデンサ部１５０内の凝縮液をリボイラ部１２０内に導入する。これにより、原料ガスの蒸留効率（低沸点成分と高沸点成分の分離効率）を向上させることができる。
【００４６】
また、本実施形態の蒸留装置１００では、原料液や凝縮液がリブ２２０間を流れるように第１分離ユニット１２２、第２分離ユニット１５２が構成されている。液体が流れる流路幅が大きいと、液体の表面張力によって、流路の端部側を流れる液体の流速と、流路の中央側を流れる液体の流速との差が大きくなってしまう。そこで、リブ２２０間の幅を２ｍｍ以下とすることで、流路の端部側を流れる液体の流速と、流路の中央側を流れる液体の流速との差を小さくすることができ、流路内における流速の均一化を図ることが可能となる。
【００４７】
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４８】
例えば、上記実施形態において、蒸留装置１００が保圧弁１７４を備え、第２分離ユニット１５２内の圧力を、大気圧を上回る圧力に維持する構成を例に挙げて説明した。しかし、第２分離ユニット１５２内の圧力は、大気圧であってもよい。この場合、保圧弁１７４は必須の構成ではない。
【００４９】
また、上記実施形態において、冷却部１５４が、高沸点成分が凝縮する温度まで蒸気を冷却する構成を例に挙げて説明した。しかし、冷却部１５４は、高沸点成分が凝縮する温度を上回る所定の温度程度まで蒸気を冷却すればよい。これにより、蒸気の容積を低減することができ、還流ポンプ１６０や留出ガス排出ポンプ１７０の動力を低減することが可能となる。なお、この際、還流ポンプ１６０は、蒸気（留出ガス）の一部を第１分離ユニット１２２に還流する。
【００５０】
また、上記実施形態において、蒸留装置１００が還流ポンプ１６０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、還流ポンプ１６０は、必須の構成ではなく、凝縮液をリボイラ部１２０に還流せずともよい。
【００５１】
また、上記実施形態において、第１分離ユニット１２２の底面２１２、および、第２分離ユニット１５２の底面３１２が傾斜している構成について説明した。しかし、底面２１２、３１２は、水平方向に延在していてもよい。
【００５２】
また、上記実施形態において、第１分離ユニット１２２、第２分離ユニット１５２の寸法関係や傾斜角について説明した。しかし、第１分離ユニット１２２、第２分離ユニット１５２は、原料ガス（原料液）における低沸点成分と高沸点成分との割合、目的とする蒸留効率、原料ガス供給ポンプ１１２による原料ガスの導入流速（処理速度）に基づいて、適宜設定されればよい。
【００５３】
また、上記実施形態において、第１分離ユニット１２２、第２分離ユニット１５２がリブ２２０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、リブ２２０に代えて多孔質体を本体２１０、３１０上に載置してもよい。多孔質体を載置することで、リブ２２０を設ける構成と同様に、流路の端部側を流れる液体の流速と、流路の中央側を流れる液体の流速との差を小さくすることができる。
【００５４】
また、上記実施形態において、通過口２１２ａ、２１２ｂが底面２１２に形成される構成、および、通過口３１２ａが底面３１２に形成される構成を例に挙げて説明した。しかし、通過口２１２ａおよび通過口２１２ｂのいずれか一方または両方は、側面２１６に形成されてもよい。同様に、通過口３１２ａは、側面２１６に形成されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本開示は、低沸点成分および高沸点成分を含む原料ガスを分離する蒸留装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１００  蒸留装置
１２０  リボイラ部
１２４  加熱部
１３０  配管（接続通路）
１３２  保圧弁
１５０  コンデンサ部
１５４  冷却部
１６０  還流ポンプ
２１０  本体（加圧容器）
３１０  本体（低圧容器）
【図１】
2018192429.tif 000003
【図２】
2018192429.tif 000004
【図３】
2018192429.tif 000005