(57)【要約】回収部と濃縮部とを一体化して有する内部熱交換型蒸留塔であって、該回収部と接する該濃縮部の面には伝熱手段が配設され、該伝熱手段が該回収部に収納されるように構成されており、該伝熱手段には濃縮部側から直接蒸気が供給され、該伝熱手段から回収部に熱伝達を行わせ、伝熱後、凝縮した液が濃縮部に戻るように構成されている。このように構成することにより、濃縮部の熱が効率良く回収部で利用される。また、少なくとも１つの開閉部が設けられるか、回収部と濃縮部とが分離できるように構成されるため、回収部および濃縮部の内容物の取り替えまたは洗浄が可能となり、メンテナンスも容易となる。
2004002602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回収部と濃縮部とを一体化して有する内部熱交換型蒸留塔であって、該回収部と接する該濃縮部の面には伝熱手段が配設され、該伝熱手段が該回収部に収納されるように構成されており、
該伝熱手段には濃縮部側から直接蒸気が供給され、該伝熱手段から回収部に熱が伝達され、伝熱により凝縮した液が濃縮部に戻るように構成され、
そして、該内部熱交換型蒸留塔には少なくとも１つの開閉部が設けられ、該開閉部から該回収部および該濃縮部の内容物の取り替えまたは洗浄が可能となるように構成されている、
内部熱交換型蒸留塔。
【請求項２】
前記該伝熱手段には蒸気の流路を形成するための流路形成部材が備えられている、請求項１に記載の蒸留塔。
【請求項３】
前記伝熱手段が伝熱管またはプレートであり、該伝熱管またはプレートに傾斜が設けられている、請求項１または２に記載の蒸留塔。
【請求項４】
前記伝熱手段が断面矩形の伝熱管であり、該断面の頂点の一つが他の頂点よりも低い位置になるように配設されている、請求項１または２に記載の蒸留塔。
【請求項５】
前記回収部と濃縮部とが、分離可能に、フランジを介して一体化されており、該回収部と該濃縮部とが分離されることによって、該回収部および該濃縮部の内容物の取り替えまたは洗浄が可能となるように開放される、請求項１から４のいずれかの項に記載の蒸留塔。
【請求項６】
前記伝熱手段が着脱自在に配設されている、請求項１から５のいずれかの項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
【請求項７】
前記開閉部がマンホールである、請求項１から６のいずれかの項に記載の蒸留塔。
【請求項８】
前記回収部にダウンカマー付トレイが配置されている、請求項１から７のいずれかの項に記載の蒸留塔。
【請求項９】
前記回収部が、バルメティックコンデンサー方式で構成される、請求項１から７のいずれかの項に記載の蒸留塔。
【請求項１０】
前記回収部に、ダウンカマーを備えないトレイが配置されている、請求項１から７のいずれかの項に記載の蒸留塔。
【請求項１１】
前記回収部が半円柱あるいは多角柱の形状である、請求項１から１０のいずれかの項に記載の蒸留塔。
【請求項１２】
前記回収部および濃縮部の断面積が蒸留塔内で変化する、請求項１から９のいずれかの項に記載の蒸留塔。
【請求項１３】
前記伝熱手段が、複数の伝熱管であり、該伝熱管上に凝縮液が留まり、気液接触をしながら該伝熱管の間から落下する、請求項１から７のいずれかの項に記載の蒸留塔。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、回収部と濃縮部とを有する内部熱交換型蒸留塔に関する。
【背景技術】  石油化学分野を始めとする多くの分野で蒸留操作が行われている。より精度の高い蒸留を行うために、多段の蒸留塔が利用されているが、エネルギーロスが多いという問題がある。
そこで、さらにエネルギーを効率よく利用するために、内部熱交換型の蒸留塔が提案されている。内部熱交換型の蒸留塔としては、例えば、特許第２６９４４２７号公報に記載された蒸留塔がある。この蒸留塔は、円筒状の本体内部に単管が挿入された構成を有し、単管の内側を濃縮部、外側を回収部とする同心２重構造の蒸留塔である。この単管は複数のブロックに分割され、上下方向にこの複数のブロックが積み重ねられて多段構造が形成されている。１つのブロックの回収部は隣接するブロックの回収部と連通管で連結され、濃縮部の熱は、単管の管壁および連通管の管壁を介して回収部へと伝えられる。しかし、伝熱効率には、未だ改良の余地がある。
さらに、内部熱交換型蒸留塔は、濃縮部が高圧側となるため圧力容器の取り扱いを受け、定期的に検査を受ける必要がある。しかし、前記蒸留塔は、濃縮部が回収部で囲まれているため、定期検査に際して、検査がしにくく、メンテナンスが容易にできないという問題もある。
他方、蒸留を目的とする混合物（例えば反応液からの複数の成分を含む溶媒）は、通常、固形物を除去した後、蒸留される。しかし、蒸留操作中に固形物が生じることがあり、この固形物を除去するため、内部熱交換型蒸留塔の回収部および濃縮部にトレイが設置されていることが多い。このトレイが固形物で目詰まりすると、蒸留効率が低下し、あるいは運転不能に陥ることも多い。しかし、このトレイを取り出して洗浄するには多大な手間がかかる。
そこで、伝熱効率に優れ、かつ、トレイの洗浄が容易にでき、定期検査におけるメンテナンスも容易である内部熱交換型蒸留塔が望まれている。
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、その目的とするところは、エネルギーの利用率（伝熱効率）が良好であり、かつ、蒸留中に生じる固形物により目詰まりしたトレイの取り替え、洗浄を容易とし、メンテナンスが容易に行える内部熱交換型蒸留塔を提供することにある。
【発明の開示】
本発明は、回収部と濃縮部とを一体化して有する内部熱交換型蒸留塔であって、該回収部と接する該濃縮部の面には伝熱手段が配設され、該伝熱手段が該回収部に収納されるように構成されており、
該伝熱手段には濃縮部側から直接蒸気が供給され、該伝熱手段から回収部に熱が伝達され、伝熱により凝縮した液が濃縮部に戻るように構成され、
そして、少なくとも１つの開閉部が設けられ、該開閉部から該回収部および該濃縮部の内容物の取り替えまたは洗浄が可能となるように構成されている、内部熱交換型蒸留塔を提供する。
好ましい実施態様においては、前記伝熱手段には蒸気の流路を形成するための流路形成部材が備えられている。
別の好ましい実施態様においては、前記伝熱手段が伝熱管またはプレートであり、該伝熱管またはプレートに傾斜が設けられている。
また別の好ましい実施態様においては、前記伝熱手段が断面矩形の伝熱管であり、該断面の頂点の一つが、他の頂点よりも低い位置になるように配設されている。
好ましい実施態様においては、前記回収部と濃縮部とが、分離可能に、フランジを介して一体化されており、該回収部と該濃縮部とが分離されることによって、該回収部および該濃縮部の内容物の取り替えまたは洗浄が可能となるように開放される。
さらに好ましい実施態様においては、前記伝熱手段が着脱自在に配設されている。
好ましい実施態様においては、前記開閉部がマンホールである。
別の好ましい実施態様では、前記回収部にダウンカマー付トレイが配置されている。
さらに別の実施態様においては、前記回収部がバルメティックコンデンサー方式で構成されている。
異なる実施態様においては、前記回収部に、ダウンカマーを備えないトレイが配置されている。
また、好ましい実施態様において、前記回収部が半円柱あるいは多角柱の形状である。
さらに好ましい実施態様においては、前記回収部および濃縮部の断面積が蒸留塔内で変化する。
また、別の実施態様においては、前記伝熱手段が、複数の伝熱管であり、該伝熱管上に凝縮液が留まり、気液接触をしながら該伝熱管の間から落下する。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の内部熱交換型蒸留塔の模式図である。
図２は、流路形成部材を備えた、断面矩形の伝熱管を有する蒸留塔の模式図である。
図３は、種々の形状を組合せた伝熱手段を有する蒸留塔の模式図である。
図４は、図３の形状の伝熱手段を有する蒸留塔の模式図である。
図５は、流路形成部材の使用態様の例を示す図である。
図６は、傾斜が設けられた伝熱管の断面を示す模式図、および伝熱管の配置の一実施例を示す図である。
図７は、ダウンカマー付きトレイを用いる、内部熱交換型蒸留塔の模式図である。
図８は、バルメティックコンデンサー方式を備える内部熱交換型蒸留塔の模式図である。
図９は、ダウンカマーのないトレイを用いる、内部熱交換型蒸留塔の外観図である。
図１０は、トレイを用いない、内部熱交換型蒸留塔の外観図である。
図１１は、回収部および濃縮部の断面積が変化する蒸留塔の模式図である。
図１２は、本発明の内部熱交換型蒸留塔を用いて、トルエンとベンゼンとを分離する方法を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の内部熱交換型蒸留塔の一例を、図１に基づいて説明する。図１ａは、回収部２と濃縮部３とが一体化された内部熱交換型蒸留塔（以下、単に蒸留塔という）を示す。一体化は、溶接により、あるいはフランジによる結合により行われてよい。図１ｂは、図１ａのＡ−Ａ断面図であり、回収部２と濃縮部３とが対向して、溶接により、一体化されている。濃縮部３の回収部２と接する面４には、伝熱手段５（例えば、伝熱管）が配設され、一体化したときに回収部２内に収納されるように構成されている。この伝熱手段５には濃縮部３側から直接蒸気が供給され、この伝熱手段５から回収部２に熱が伝達され、伝熱により凝縮した液が濃縮部３に戻るように構成されている。また、必要に応じて、回収部２には、トレイ６が備えられている。
この蒸留塔１には、少なくとも１つの開閉部１１が設けられ、この開閉部１１から回収部２および濃縮部３に収納されたトレイの取り替えまたは洗浄が可能となるように構成されている。
また、本発明の蒸留塔は、回収部２と濃縮部３とが、分離可能に一体化されていてもよい。例えば、図７は回収部２と濃縮部３とがフランジで結合された蒸留塔の例であるが、図７ａに示すように、フランジをはずすことにより、回収部２と濃縮部３とに分離される。すなわち、開閉部１１は、回収部２と濃縮部３とのフランジによる結合部をも包含する意味である。このように、図７においては、回収部２が開放されることにより、回収部２の内容物の取り替え、または洗浄が可能となる。なお、回収部２と濃縮部３とが、分離可能にフランジを介して一体化されている場合、蒸留塔１が大きくなると、回収部２と濃縮部３との分離も困難になる。従って、蒸留塔１をいくつかの部分に分けて、それらの部分が必要に応じて分離できるように構成してもよい。あるいは、図１ａに示す形状の開放部１１を、分離可能な蒸留塔の外部に設けてもよい。
また、濃縮部３の、回収部２と接する面４を開放可能にすることにより、濃縮部３の内容物（例えば、充填物、トレイ、伝熱管、中空プレートなどの伝熱手段など）を容易に着脱あるいは洗浄することができる。
回収部２あるいは濃縮部３の内容物を着脱し、あるいは洗浄することができれば、開放部１１の形状には特に制限がなく、マンホールタイプでもよい。
本発明に用いる伝熱手段５の構造には、特に制限がなく、濃縮部３からの蒸気が直接伝熱手段５に供給され、この伝熱手段５から回収部２に熱伝達が行われ、伝熱後、凝縮した液が濃縮部３に戻るように構成されていればよい。この伝熱手段５を、好ましくは、回収部２内に突出させることにより、従来の、濃縮部３の壁面からの熱移動に加えて、さらに大きな熱移動が可能となり、熱効率が大きく改善される。
この伝熱手段５は、着脱自在に、回収部２と接する濃縮部３の面４に配設されていることが好ましい。伝熱効率（伝熱面積）を考慮して、種々の形状に取りかえることが可能であり、かつ、伝熱手段５のメンテナンスも容易となる。
伝熱手段５としては、伝熱管あるいはプレートが好ましく用いられる。伝熱管あるいはプレートの形状は特に制限がなく、断面が円、楕円、矩形などの形状であり得る。例えば、図２に示す伝熱管５１は、断面矩形の伝熱管である。また、種々の形状を組合せた伝熱手段も用いられる。例えば、図３に示す伝熱手段５は、断面円筒状の２本の伝熱管５１と連通する、複数の中空体のプレート５２から構成されている。このような伝熱管２１あるいは中空プレート５２を組合せて伝熱手段５を形成し、例えば、図４に示すような、ダウンカマー式の蒸留塔を構成してもよい。
伝熱手段５は、伝熱手段５の内部に蒸気の流路を形成するための流路形成部材５３を備えていることが好ましい。伝熱手段５として伝熱管５１を用いる場合について説明する。
図２は、流路形成部材を備えた、断面矩形の伝熱管を有する蒸留塔の模式図である。図２における伝熱管５１には、伝熱管５１の内部に蒸気の流路を形成するための流路形成部材５３が備えられている。この流路形成部材５３は平板５４であり、伝熱管５１の内部に、平板５４の一端５４ａが伝熱管５１の先端から離れたところに位置し、他端５４ｂが濃縮部３内に位置するように配置されている。すなわち、平板５４の一端５４ｂが濃縮部３内に突出するように配置される。このような構成を採ることにより、濃縮部３の下から上方に向かう蒸気５５が平板５４に当り、伝熱管５１内に流れ込み、伝熱管５１の先端を通って、濃縮部３に戻る。すなわち、伝熱管５１内に蒸気の流路が形成される。この流路内で凝縮された蒸気は、凝縮液となって、回収される。
平板５４のような、伝熱管５１の内部の一部を仕切る構成の流路形成部材５３は、沸点の異なる混合蒸気を蒸留する場合には、特に有効である。例えば、ベンゼンとトルエンの混合蒸気を蒸留する場合、トルエンが凝縮しやすいため、流路形成部材５３がないと、伝熱管５１の入口付近でトルエンを多く含む液が凝縮し、伝熱管５１の内部側にはベンゼンを多く含む蒸気が滞留する傾向にある。そして、その蒸気の温度が回収部の温度と同程度になれば、蒸気の流れが滞留する。そこで、流路形成部材５３を設けると、蒸気の流れが生じるので、ベンゼンの滞留が解消される。
流路形成部材５３の別の態様としては、例えば、図３に示すような、伝熱管５１の蒸気の入口および出口にそれぞれ設けられた突出部５６ａおよび５６ｂなどが挙げられる。入口側の突出部５６ａは蒸気導入部として、出口側の突出部５６ｂはサクションとして機能する。流路形成部材５３の形状には特に制限がなく、例えば、図２に示す平板５４、図３において５６ａあるいは５６ｂで示される断面半円形の樋、その他、断面矩形の板材、断面三角形の樋、断面矩形の樋、断面が５角形以上の多角形の樋、円筒など、確実に蒸気を伝熱管５１内に導くような形状が好ましく用いられる。流路形成部材５３は、単独の部材に限られず、いくつかの形状を複数個用いる場合も包含し、蒸気を確実に伝熱管５１内に導くように構成される。
図５に、流路形成部材５３の使用方法の一例を示す。流路形成部材５３の配置を種々変えることによって、任意に蒸気の流路を生じさせ得る。例えば、図５ａは、一体として構成された流路形成部材５３を配置することにより、伝熱管５１内に蒸気の流れを作り出す場合の模式図である。図５ｂは、流路形成部材５３が、異なる位置に配設された、長さが異なる２枚の平板５４から構成され、蒸気の流れの上方に長い平板５４を配置することにより、蒸気を上方から伝熱管５１内に流入させ、蒸気の流れを作り出す場合の模式図である。さらに、図５ｃは、図３の５６ａで示される、下向きの断面半円形の樋が、蒸気の流路に配設され、蒸気の流れを作り出す場合の模式図である。また、図５ｄは、５７で表される断面矩形の樋と平板が組合された形状の流路形成部材５３が蒸気の流れの上方に備えられ、蒸気を上方から伝熱管５１内に流入させ、蒸気の流れを作り出す場合の模式図である。
さらに、蒸気の流れ、凝縮液の回収などを考慮すると、図６ａに示すように、伝熱管５１には傾斜が設けられていることが好ましい。また、断面矩形の伝熱管を用いる場合には、図６ｂに示すように、この断面矩形の頂点の一つが、他の頂点よりも低い位置になるように配設してもよい。例えば、図２における伝熱管の一辺を水平に配置せず、図６ｂに示すように取りつけることにより、凝縮液が断面矩形の最も低い頂点に集まり、凝縮液の流路が形成され得る。さらに、図６ａとｂを同時に満足するように伝熱管を配置してもよい。
濃縮部３の内部には、当業者が通常用いる充填材が充填されていてもよい。また、トレイを設けて、棚段構造としてもよい。あるいはこれらを組合せて用いてもよい。トレイはトレイ全体が多孔性であってもよく、一部（例えば、篩部分）が多孔性であってもよく、全体が非多孔性であってもよい。トレイとしては、リフトトレイ、パルプトレイ、シーブトレイ、キャップトレイなどのトレイが用いられる。
回収部２の内部には、回収部２の伝熱効率を向上させる目的、および必要に応じて、蒸留中に生じる固形物を除去する目的で、トレイが配置されてもよい。トレイとしては、前記トレイが用いられるが、目的に応じて、適宜、選択すればよい。
図７は、本発明の別の実施態様を示す図であり、回収部２にダウンカマー付きのトレイを配置した蒸留塔を示す模式図である。図７ａは、分離された状態の回収部２および濃縮部３の構造を示し、図７ｂは、回収部２と濃縮部３とを一体化したときのＢ−Ｂ断面図である。図７ａに示すように、回収部２には、ほぼ水平にトレイ６が複数個配置され、それぞれのトレイ６がダウンカマー７で接続されている。トレイ６内に貯留された凝縮液８がオーバーフローし、ダウンカマー７を伝って、下のトレイ６に移動するように配置されている。濃縮部３には、伝熱管５１が配置されており、この伝熱管５１は、図７ｂに示すように、トレイ６内に貯留された凝縮液８内に浸漬するように、配置される。このように構成することにより、濃縮部３の熱が、効率良く回収部３で利用され、伝熱効率が向上するととともに、加熱された凝縮液８が、トレイ６をオーバーフローして、順次、下のトレイ６に流れていくので、濃縮部３の熱がさらに効率よく利用される。
図８は、さらに別の実施態様を示す図であり、回収部２がバルメティックコンデンサー方式で構成されている場合の図である。図８ａは、分離された状態の回収部２および濃縮部３の構造を示し、図８ｂは、回収部２と濃縮部３とを一体化したときのＣ−Ｃ断面図である。この図８に示されるように、伝熱管５１は、一段置きに、トレイ６に貯留された凝縮液８に浸漬するように配置されている。トレイ６にはダウンカマー７が設けられておらず、凝縮液８がトレイ６からオーバーフローして、滝のように下のトレイ６に落下していく。この落下する凝縮液８を縫って、蒸気が流れる構成とされている。この構成において、凝縮液８が落下して流れる部分に、充填物を配置して、固形物を除去することもできる。
図９は、回収部２にダウンカマーを備えないトレイ６が配置されている蒸留塔１を示す図である。図９ａは、分離された状態の回収部２および濃縮部３の構造を示し、図９ｂは、回収部２と濃縮部３とを一体化したときの透視図である。この構造においては、トレイ６は、多孔性を有することが好ましく、凝縮液８がトレイ６から滴下されながら、蒸気と接触するように構成される。
図１０は、回収部２がトレイ６を備えず、複数の伝熱管５１のみが配設された蒸留塔の模式図である。図１０ａは、分離された状態の回収部２および濃縮部３の構造を示し、図１０ｂは、回収部２と濃縮部３とを一体化したときの透視図である。この構造では、伝熱管５１上に凝縮液８が留まり、気液接触をしながら伝熱管５１の間から落下するように構成される。
また、伝熱効率を考慮して、回収部２および濃縮部３の断面積が、それぞれ、蒸留塔内で変化するように構成されてもよい。図１１は、この実施態様を示す模式図である。図１１ａは、分離された状態の回収部２および濃縮部３の構造を示し、図１１ｂは、回収部２と濃縮部３とを一体化したときの透視図である。この構成では、回収部２の断面積は蒸留塔上部で広く、蒸留塔下部に行くにしたがって、狭くなる。逆に、濃縮部３の断面積は、蒸留塔上部で狭く、蒸留塔下部に行くにしたがって、広くなる。
本発明の蒸留塔の形状に特に制限はなく、図１に示すような、回収部２が多角柱で濃縮部３が半円柱である組合せ、図９に示すような、回収部２および濃縮部３が共に半円柱である組合せ、回収部２および濃縮部３が共に多角柱である組合せなど、種々の組み合わせが可能である。
回収部と濃縮部とを一体化し、回収部と接する濃縮部の面に伝熱手段を設け、伝熱手段が回収部に収納されるように配設されており、この伝熱手段に濃縮部から蒸気を供給することにより、濃縮部の熱を回収部に効率よく伝達することができる。従って、熱効率が大きく改善される。さらに、蒸留塔の回収部に開閉部を設け、あるいは濃縮部および回収部を分離可能に構成することにより、回収部あるいは濃縮部中の内容物（例えば、充填物、トレイ、伝熱管、中空プレートなど）をそのまま洗浄し、あるいは脱着して洗浄できる。従って、蒸留塔のメンテナンスが容易となる。
【実施例】  本発明の内部熱交換型蒸留塔１を用いて、ベンゼンおよびトルエンの混合物を蒸留して両者と分離する方法について、図１２に基づいて説明する。図１２の蒸留塔１は、濃縮部３と回収部２とがフランジ９で一体化されており、回収部２内に設けられたトレイ６の上部に、伝熱管５１が濃縮部３から突出するように配置されている。濃縮部３には、充填物が充填されている。まず、ベンゼン・トルエン混合物を原料導入口２１から回収部２に供給する。回収部２は、所定の高温および高圧に設定され、回収部２の上部は、例えば、この圧力におけるベンゼンの沸点付近の温度に設定される。回収部２の下部は、この圧力におけるトルエンの沸点付近の温度に設定される。これにより、トルエンは、回収部２の底部に溜まり、排出口２２から排出可能となる。ベンゼンを主体とする蒸気は、蒸気導出口２３から排出され、コンプレッサー３４で加圧されて、濃縮部３の蒸留液導入口３１から濃縮部３の内部に入る。濃縮部３内は、回収部２内よりも高温および高圧に設定され、濃縮部３の上部は、例えば、この圧力におけるベンゼンの沸点付近の温度に設定され、下部はこの圧力におけるトルエンの沸点付近の温度に設定される。これにより、ベンゼンの蒸気は、蒸気導出口３３から排出され、ベンゼンとトルエンとの混合物は、濃縮部３の下部の蒸留残分排出口３２から排出され、回収部２の蒸留残分導入口２４を経て回収部２に再度フィードバックされる。このようにして、ベンゼンおよびトルエンが分留される。
【産業上の利用可能性】  上記のように、本発明の内部熱交換型蒸留塔は、濃縮部からの熱を回収部に効率よく伝達することができるため、熱効率が大きく改善される。さらに、蒸留塔の回収部に開閉部を設け、あるいは濃縮部および回収部を分離可能に構成することにより、回収部中のトレイをそのまま洗浄し、あるいは脱着して洗浄できる。また、圧力容器としての濃縮部の検査に際して、従来のように、濃縮部が回収部によって囲まれていないので、検査が容易となる。従って、蒸留塔のメンテナンスが容易となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
2004002602.tif 000015
2004002602.tif 000016
2004002602.tif 000017
2004002602.tif 000018