(57)【要約】【課題】蒸留塔等において複数の加熱要素を用いて液体を加熱する際に流量バランスの調整を必要としない装置構成及び液体の加熱方法を提供する。【解決手段】液体を収容する塔と、液体に含まれる目的成分を加熱によって液体から放出させて分離する加熱システムとを有する蒸留塔において、加熱システムは、塔外に設けられる加熱用の複数の熱交換器と、塔内の液体が複数の熱交換器を順次通過して循環するように複数の熱交換器を直列に接続する循環路と、循環路において液体から発生するガスを液体から分離して塔内に還流させるために循環路から分岐して設けられる少なくとも１つの分別路とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容するための塔と、前記液体に含まれる目的成分を前記液体から分離するために前記目的成分を加熱によって前記液体から放出させる加熱システムとを有する蒸留塔であって、前記加熱システムは、
加熱のために前記塔に外設される複数の熱交換器と、
前記塔に収容される液体を前記複数の熱交換器との間で循環させる循環路であって、前記塔の液体が前記複数の熱交換器を順次通過するように前記複数の熱交換器を直列に接続する前記循環路と、
前記循環路において液体から発生するガスを前記液体から分離して前記塔内に還流させるために前記循環路から分岐して設けられる少なくとも１つの分別路と
を有する蒸留塔。
【請求項２】
前記複数の熱交換器は、各々、リボイラを用いて構成される請求項１記載の蒸留塔。
【請求項３】
前記リボイラは、ケトル型リボイラ又はサーモサイフォン型リボイラを含む請求項２に記載の蒸留塔。
【請求項４】
前記複数の熱交換器は、各々、ケトル型リボイラであって実質的に同じ高さに配置される請求項１〜３の何れかに記載の蒸留塔。
【請求項５】
前記複数の熱交換器は、各々、ケトル型リボイラであって前記循環路の下流に向かって順次低く位置するように配置される請求項１〜３の何れかに記載の蒸留塔。
【請求項６】
前記分別路は、前記複数のケトル型リボイラと前記塔とを接続し、前記循環路にポンプが設けられる請求項４又は５に記載の蒸留塔。
【請求項７】
前記複数の熱交換器は、各々、サーモサイフォン型リボイラであって、前記循環路は、前記複数の熱交換器の間に介在する気液分離器が設けられ、前記分別路は前記気液分離器において前記循環路から分岐する請求項１〜３の何れかに記載の蒸留塔。
【請求項８】
前記分別路は、前記気液分離器と前記塔とを接続する請求項７に記載の蒸留塔。
【請求項９】
前記複数の熱交換器は、実質的に同じ高さに配置される請求項７又は８に記載の蒸留塔。
【請求項１０】
二酸化炭素を前記目的成分とし、吸収液を前記液体として、二酸化炭素を含む吸収液から二酸化炭素を放出させて前記吸収液を再生するための再生塔として使用される請求項１〜９の何れかに記載の蒸留塔。
【請求項１１】
ガスを吸収液と接触させて前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記吸収液に吸収させる吸収塔と、
請求項1〜９の何れかに記載の蒸留塔を用い、二酸化炭素を前記目的成分とし、吸収液を前記液体として、前記吸収塔において二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を放出させて前記吸収液を再生するように構成される再生塔と、
前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させる循環システムと
を有する二酸化炭素回収装置。
【請求項１２】
塔に収容される液体に含まれる目的成分を前記液体から分離するために、前記目的成分を加熱によって前記液体から放出させる蒸留塔における液体の加熱方法であって、前記液体を加熱するための複数の熱交換器を前記塔に外設し、前記複数の熱交換器を直列に接続する循環路を用いて、前記塔の液体が前記複数の熱交換器を順次通過するように液体を循環させて加熱し、前記循環路から分岐する少なくとも１つの分別路を用いて、前記循環路を循環する液体から発生するガスを前記液体から分離して前記塔に還流させることを特徴とする液体の加熱方法。
【請求項１３】
二酸化炭素を前記目的成分とし、吸収液を前記液体として、二酸化炭素を含む吸収液から二酸化炭素を放出させて前記吸収液を再生するための再生塔における吸収液の加熱方法として使用される請求項１２に記載の液体の加熱方法。
【請求項１４】
ガスを吸収液と接触させて前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記吸収液に吸収させる吸収工程と、
請求項1２に記載の液体の加熱方法を用いて、二酸化炭素を前記目的成分とし、吸収液を前記液体として、前記吸収工程において二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を放出させて前記吸収液を再生する再生工程と、
前記吸収工程と前記再生工程との間で前記吸収液を循環させる循環工程と
を有する二酸化炭素回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱によって液体に含まれる目的成分を分離又は精製したり、化学吸収法によって排ガスから二酸化炭素を分離回収する際に使用する吸収液を再生するための再生塔等として利用可能な蒸留塔、蒸留塔における液体の加熱方法、並びに、それを用いた二酸化炭素回収装置及び二酸化炭素回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を加熱して沸騰させることにより液体に含まれる成分をガス化して分離回収する蒸留塔は、物質の蒸留精製に使用するだけでなく、加熱によって混合系から特定成分をガス化分離する形態の各種処理に利用することができる。例えば、化学吸収法によって排ガスから二酸化炭素を回収する際に、二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱して二酸化炭素を放出し再生させるための再生塔として使用され、火力発電所や製鉄所、精油所、ボイラーなどの様々な設備において、蒸留塔は幅広く利用されている。
【０００３】
蒸留塔には、塔外の高温熱媒を熱源として用いて塔内に貯留される液体を加熱するための加熱装置が塔底部に付設される。蒸留塔の加熱装置は、一般に、他の施設等から放出される排熱の回収によって得られる高温液との熱交換を行う熱交換器、又は、燃焼施設等から排出される高温スチームを熱媒として用いるリボイラを加熱要素として構成される。
【０００４】
下記特許文献１には、複数の加熱要素を用いた蒸留塔が記載される。この文献においては、２つの熱交換器が蒸留塔の塔底部に並列に接続され、この蒸留塔を二酸化炭素回収装置の再生塔として用いている。各熱交換器において、再生塔から排出される二酸化炭素を含むガスとの熱交換によって再生塔から導出する吸収液を加熱し、加熱後に各々再生塔へ還流するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３５３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように複数の加熱要素を用いる構成は、蒸留塔内の液に充分な熱量を供給する上で有効であり、複数の加熱要素を並列に接続することによって、熱交換を効率良く行うことができる。しかし、並列接続における液体の流れは、分岐後の流量バランスが変動し易く、各加熱要素を流れる液体の流量を一定に維持するには、各加熱要素への流量を規制するために流量計や制御弁を設ける必要がある。又、加熱温度（熱源温度）が異なる加熱要素を用いると、接続構成の設計が煩雑になり、流量バランスの制御が更に難しくなる。
【０００７】
本発明の課題は、複数の加熱要素を用いて液体を加熱するために流量計や制御弁による流量バランスの調整を必要としない蒸留塔及びそれにおける液体の加熱方法を提供することである。
【０００８】
又、本発明の課題は、複雑な装置構成や煩雑な調整作業を伴わずに、効率良く充分に液体を加熱可能な蒸留塔及びそれにおける液体の加熱方法を提供することである。
【０００９】
更に、上述の蒸留塔及び液体の加熱方法を用いて効率的に二酸化炭素を回収可能な二酸化炭素回収装置及び二酸化炭素回収方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、蒸留塔の液体を加熱する複数の加熱要素を直列に接続する構成に基づいて、流量バランスの問題を解決すると共に、蒸留塔の目的成分のガス化及び液体からの分離を効率的に進めることが可能となる手法を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
本発明の一態様によれば、蒸留塔は、液体を収容するための塔と、前記液体に含まれる目的成分を前記液体から分離するために前記目的成分を加熱によって前記液体から放出させる加熱システムとを有する蒸留塔であって、前記加熱システムは、加熱のために前記塔に外設される複数の熱交換器と、前記塔に収容される液体を前記複数の熱交換器との間で循環させる循環路であって、前記塔の液体が前記複数の熱交換器を順次通過するように前記複数の熱交換器を直列に接続する前記循環路と、前記循環路において液体から発生するガスを前記液体から分離して前記塔内に還流させるために前記循環路から分岐して設けられる少なくとも１つの分別路とを有することを要旨とする。
【００１２】
又、本発明の一態様によれば、二酸化炭素回収装置は、ガスを吸収液と接触させて前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記吸収液に吸収させる吸収塔と、上記の蒸留塔を用い、二酸化炭素を前記目的成分とし、吸収液を前記液体として、前記吸収塔において二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を放出させて前記吸収液を再生するように構成される再生塔と、前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させる循環システムとを有することを要旨とする。
【００１３】
更に、本発明の一態様によれば、液体の加熱方法は、塔に収容される液体に含まれる目的成分を前記液体から分離するために、前記目的成分を加熱によって前記液体から放出させる蒸留塔における液体の加熱方法であって、前記液体を加熱するための複数の熱交換器を前記塔に外設し、前記複数の熱交換器を直列に接続する循環路を用いて、前記塔の液体が前記複数の熱交換器を順次通過するように液体を循環させて加熱し、前記循環路から分岐する少なくとも１つの分別路を用いて、前記循環路を循環する液体から発生するガスを前記液体から分離して前記塔に還流させることを要旨とする。
【００１４】
又、本発明の一態様によれば、二酸化炭素回収方法は、ガスを吸収液と接触させて前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記吸収液に吸収させる吸収工程と、上記の液体の加熱方法を用いて、二酸化炭素を前記目的成分とし、吸収液を前記液体として、前記吸収工程において二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を放出させて前記吸収液を再生する再生工程と、前記吸収工程と前記再生工程との間で前記吸収液を循環させる循環工程とを有することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の加熱要素を用いて液体を加熱する際に、各加熱要素への液体の流量について配慮する必要がなく、充分な加熱を効率良く行うことができるので、目的成分のガス化及び液体からの分離を効率的且つ簡易に進めることができる液体の加熱方法及びそれを実施する蒸留塔が提供される。又、特殊な装備や高価な装置を必要とせず、一般的な機器を利用して簡易な構成で加熱効率及びエネルギー効率が良い蒸留塔であるので、これを利用してエネルギー効率の良い二酸化炭素回収方法が実施でき、経済的に有利な二酸化炭素回収装置が提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る蒸留塔を示す概略構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る蒸留塔を示す概略構成図。
【図３】サーモサイフォン型リボイラの使用形態を説明する概略構成図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る蒸留塔を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
蒸留塔は、塔外から供給されるエネルギーを利用して塔内の液体を加熱し、加熱された液体から目的成分を放出して液体から分離する。一般的な蒸留塔では、目的成分は常温で液体又は固体であり、加熱により気化して放出された目的成分を冷却することにより凝縮されて精製された目的成分が、液状又は固体状で回収される。目的成分が常温で気体の場合、蒸留塔は、ガスに含まれる目的成分の分離回収に利用できる。例えば、二酸化炭素の回収装置では、吸収塔においてガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる工程と、再生塔において吸収液を加熱・再生することにより吸収液から放出される二酸化炭素を回収する再生工程とを繰り返す二酸化炭素回収方法が実行されるが、蒸留塔は、吸収液を再生させる再生塔として用いて、目的成分として二酸化炭素を分離回収することができる。この場合、再生塔において、二酸化炭素が溶解している吸収液の水分も加熱によって気化して二酸化炭素と共に放出されるので、冷却によって凝縮した水と二酸化炭素とを気液分離することにより、二酸化炭素が分離回収される。
【００１８】
上述のように、蒸留塔は、塔内の液体を加熱するために底部に付設される加熱装置を有する。加熱装置には様々な種類のものがあるが、蒸留塔の加熱装置では、屡々、燃焼施設等から排出される高温スチーム等を外部熱源として利用するリボイラが加熱要素として用いられる。リボイラは、外部から供給されるスチームを熱媒体（つまり熱源）として、熱交換器を用いた熱媒体との熱交換によって液体を沸点近傍の温度に加熱する加熱手段である。つまり、リボイラは、熱交換器の一種と見なされ、蒸留塔のリボイラにおいては、目的の流体である蒸留塔の液体と、加熱用熱源として外部から供給されるスチームとの熱交換が熱交換器によって行われる。リボイラには、ケトル型リボイラ、サーモサイフォン型リボイラ等があり、ケトル型リボイラは、沸点近傍に加熱された液体から発生するガスを、液体とは別途排出することができる気液分離機能を有する。サーモサイフォン型リボイラは、リボイラ内で加熱によって生じる流体の上昇流を液体移送の動力源として利用できるので、循環ポンプを省略した循環系の設計が可能であるという特性がある。
【００１９】
本発明においては、このような熱交換器（つまり、狭義の熱交換器及びリボイラを含む）を加熱要素とし、複数の熱交換器を用いて塔内の液体を加熱する加熱システムを有する蒸留塔を提案する。加熱システムにおいて、複数の熱交換器は直列に配列され、塔内の液体は、複数の熱交換器を順次通過するので、この加熱システムによって実施される液体の加熱方法では、循環の間に液体への熱供給が繰り返し行われる。この構成は、液体を十分に加熱することができる点において優れているが、加熱された液体からのガス発生に対処することが重要である。本発明においては、熱交換器の直列配列に基づいて、発生したガスを液から分離して別途還流するための分別路を形成する。この点に関して、加熱システムの構成は、熱交換器（リボイラ）の方式に応じて適宜変更することが可能であるので、本発明の実施形態を熱交換器の方式に応じて説明する。
【００２０】
以下に、図面を参照して本発明の蒸留塔の実施形態について説明する。尚、以下の実施形態においては、蒸留塔を二酸化炭素回収装置の再生塔として用いた実施形態として説明するが、一般的な蒸留塔や、各種プロセスにおいて分離・精製工程を実施するための装置にこれらを適用可能であることは勿論である。又、複数の熱交換器として、３つのリボイラを使用するが、リボイラ（加熱要素）の数は必要に応じて任意に変更可能である。
【００２１】
図１は、本発明の蒸留塔の第１の実施形態を示し、加熱システムを構成する複数の熱交換器として、３つのケトル型リボイラを用いている。図１の蒸留塔１は、液体Ｌを内部に収容する塔２と、塔２内に装填される充填材Ｆと、塔２の底部に設けられる加熱システム３とを有する。塔２は、上端及び下端が半球状に閉鎖された円管形であり、底部に液体Ｌが貯留される。充填材Ｆは、一般的な蒸留においては気化した目的成分の精留を進め、再生塔としての利用においては、気液接触面積の増加によって液体からの目的成分放出を促進する。
【００２２】
蒸留塔を目的成分の蒸留に使用する場合には、加熱システムによって沸点近傍に加熱された液体から生じるガスは、充填材上での精留を経て塔頂から放出され、冷却器を用いて凝縮回収されるが、図１の実施形態では、蒸留塔１を二酸化炭素回収装置の再生塔として使用するために、吸収塔（図示省略）において二酸化炭素を吸収した吸収液を液体Ｌとして蒸留塔２の上部に供給するための供給路４と、蒸留塔２における加熱によって再生された吸収液を塔２底部から吸収塔へ還流させるための環流路５とが接続され、吸収塔と蒸留塔１との間で吸収液を循環させる循環システムを形成している。加熱システム３によって液体Ｌを沸点近傍（概して１００〜１３０℃程度）に加熱すると、塔２内において液体Ｌから放出されるガスの上昇に伴い、充填材Ｆも下側から間接的に加熱される。供給路４から供給される吸収液は、充填材Ｆ間を流下する間に加熱されると共に表面積が増加して二酸化炭素の放出が促進される。尚、供給路４から供給される液体Ｌは、塔２に供給される前に、環流路５を通じて塔２から吸収塔へ還流する液体Ｌと熱交換器（図示省略）によって熱交換されて、塔２での加熱温度に近い温度（概して７０〜９０℃程度）に昇温され、二酸化炭素が放出され易い状態の液体Ｌが塔２に投入される。蒸留塔２において液体Ｌから放出される二酸化炭素を含むガスは、排気路６を通じて塔外へ放出され、冷却器（図示省略）によって適正温度に冷却されてガス中の水蒸気が凝縮し、気液分離器（図示省略）によって凝縮水を除去した後に二酸化炭素が回収される。
【００２３】
蒸留塔１の加熱システム３は、液体Ｌの加熱のために塔２の外に設けられる複数の熱交換器として３つのケトル型リボイラＴ１，Ｔ２，Ｔ３を有し、３つのリボイラＴ１〜Ｔ３は、流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４によって構成される循環路によって直列に接続される。循環路の両端は塔２底部の下端及び側部に接続され、流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３上にはポンプＰ１，Ｐ２，Ｐ３が各々設けられ、ポンプＰ１〜Ｐ３の駆動によって、塔２底部の液体Ｌは、塔２の下端から導出され、流路Ｒ１〜Ｒ４を通じて３つのリボイラＴ１〜Ｔ３に順次供給され通過した後に、底側部から塔２内に還流する。従って、液体Ｌは、循環路を通じて塔２内と３つのリボイラＴ１〜Ｔ３との間で循環し、この間に、リボイラＴ１〜Ｔ３においてスチーム（概して１２０〜２００℃程度）による加熱が繰り返される。この際、加熱の繰り返しによって循環路内の液体Ｌから、二酸化炭素及び水蒸気を含むガスが発生し得るので、ガスを液体から分離することが望ましい。特に、二酸化炭素回収装置の再生塔として用いる実施形態では、液体Ｌから二酸化炭素ガスを積極的に放出させるために加熱するので、液体Ｌから発生するガスを分離して塔２内に還流させることが有意義である。本発明では、これを目的として、循環路から分岐する分別路Ｓ１〜Ｓ３が設けられる。
【００２４】
具体的には、リボイラＴ１上で流路Ｒ２から分岐する分別路Ｓ１と、リボイラＴ２上で流路Ｒ３から分岐する分別路Ｓ２と、リボイラＴ３上で流路Ｒ４から分岐する分別路Ｓ３とを有する。分別路Ｓ１，Ｓ２は分別路Ｓ３と共に１つに統合され、リボイラＴ１〜Ｔ３と塔２内とを連通させるように塔２の底部側壁に接続される。従って、リボイラＴ１〜Ｔ３内で加熱された液体Ｌから発生するガスは、液体Ｌから分離されて分別路Ｓ１〜Ｓ３を通じて塔２へ還流され、塔２底部に貯留される液体Ｌの上方に放出される。故に、リボイラＴ１での加熱によって発生するガスは、下流側のリボイラＴ２，Ｔ３には供給されず、同様に、リボイラＴ２で発生するガスもリボイラＴ３には供給されないので、リボイラＴ２，Ｔ３における加熱は効率的に液体Ｌに加えられ、一旦液体Ｌから放出されたガスが塔２へ戻る前に液体Ｌ中に再溶解したり、熱量がガスの過熱に消費されるのを防止できる。尚、分別路Ｓ１〜Ｓ３の一部を省略することは可能であり、少なくとも１つの分別路があれば、それに応じた効果が得られるが、図１の実施形態のように、リボイラの数に対応して等しい数の分別路Ｓ１〜Ｓ３を設けてリボイラＴ１〜Ｔ３の全てを分別路によって塔２と接続すると効果が大きいので好ましい。分別路Ｓ１〜Ｓ３は個別に塔２に接続しても良いが、複数の分別路を１つに統合して塔２に接続する構成は構造設計上等において好ましい。
【００２５】
ケトル型リボイラは、リボイラ内で加熱された液から発生するガスを液とから分離して排出できる構造であり、熱交換器と気液分離器とを兼ね備えるので、この実施形態においては、分別路Ｓ１〜Ｓ３は、リボイラＴ１〜Ｔ３上で流路Ｒ２〜Ｒ４から分岐するように構成されている。この点に関し、加熱された液及びガスを分離せずに一緒に移送するタイプのリボイラ（サーモサイフォン型など）を使用すると、分別路は、リボイラＴ１〜Ｔ３より下流側の流路Ｒ２〜Ｒ４上に各々設けられる。この場合、流路Ｒ２〜Ｒ４上に分岐点として気液分離器を各々設けて、気液分離器から分別路を分岐させるようにすると良い（後述の図４参照）。分岐点は、ポンプＰ２，Ｐ３より上流側であり、リボイラＴ１〜Ｔ３に近い方が好ましい。尚、気液分離器は、上下方向に分岐する三差流路によって代用することも可能である。
【００２６】
図１の蒸留塔１において、リボイラＴ１は塔２の底部より低い位置に配置されているので、ポンプＰ１を省略しても、重力による流下を利用して塔２からリボイラＴ１へ液体Ｌを移送することができる。又、リボイラＴ２，Ｔ３の液体はポンプＰ２，Ｐ３の動力によって強制的に移送されるので、リボイラＴ２，Ｔ３の位置をリボイラＴ１の位置より高く配置してもよい。
【００２７】
図１の蒸留塔１においては、リボイラＴ１〜Ｔ３は、水平方向に並べられ、実質的に同じ高さ（つまり、誤差程度の高さのズレは許容される）に配置されるが、リボイラの配置の変更によって、ポンプ数を減らして液体Ｌの循環に要する動力を削減することが可能となる。そのような加熱システムの構成を、図２を参照して説明する。
【００２８】
図２は、本発明の蒸留塔の第２の実施形態を示し、蒸留塔１０の加熱システム１３を構成する熱交換器は、図１と同様にケトル型リボイラであり、循環路によって直列に接続されるが、３つのリボイラＴ１，Ｔ２’，Ｔ３’は、下流に至るに従って位置が低くなるように設置される。具体的には、リボイラＴ１は、図１と同様に、流路Ｒ１によって塔２底部の下端と接続され、流路Ｒ１上にポンプＰ１が設けられるが、リボイラＴ２’は、リボイラＴ１より低い位置に配置され、流路Ｒ２’上にはポンプは設けられず、リボイラＴ１とリボイラＴ２’とを直接接続する。同様に、リボイラＴ３’も、リボイラＴ２’より低い位置に配置されて、流路Ｒ３’によってリボイラＴ２’と直接接続され、流路Ｒ３’上にポンプは設けられない。リボイラＴ１からリボイラＴ２’，Ｔ３’への液体Ｌの移送には、重力落下による液体流動が動力として利用される。塔２からリボイラＴ１への液体Ｌの移送自体は、重力落下による流動を動力としても可能であるが、リボイラＴ３から塔２への還流のための動力源としてポンプＰ１の駆動が利用される。これに関し、循環路の液体Ｌの流量はガスの分離によって下流側において減少するので、ポンプＰ１の流路Ｒ１上への配置は、液体Ｌの循環流量を適正に制御する点において好ましいが、ポンプＰ１の配置を流路Ｒ１から流路Ｒ４へ変更してもよい。リボイラＴ１，Ｔ２’，Ｔ３’で液体Ｌから分離されるガスは、図１と同様に、リボイラＴ１，Ｔ２’，Ｔ３’上で流路Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４から分岐する分別路Ｓ１〜Ｓ３を通じて移送され、統合されて塔２底部の液体Ｌの上方へ還流される。図１の実施形態と同様に、分別路Ｓ１〜Ｓ３の一部を省略することは可能である。
【００２９】
図２の加熱システム１３において、リボイラを加熱された液及びガスを分離せずに一緒に移送するタイプのリボイラに変更すると、図１の実施形態の変更において説明したように、分別路Ｓ１〜Ｓ３は、リボイラＴ１，Ｔ２’，Ｔ３’より下流側の流路Ｒ２〜Ｒ４上で各々分岐するように変更され、各分岐点に気液分離器が用いられ、気液分離器は、上限方向に分岐する三差流路によって代用可能である。
【００３０】
図２の蒸留塔１０に関して、上述の点以外は、図１の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００３１】
サーモサイフォン型リボイラは、上下方向に液が移動可能な管を熱源によって加熱する構造であり、加熱によって液中に生じる気泡の上昇と共に管内の液に上昇流が生じ、これを動力源として液を移送することができる。このため、蒸留塔における加熱要素としてサーモサイフォン型リボイラを用いる場合、サーモサイフォン機能を活かしてリボイラを直列に接続すると、図３に示すような構成となる。つまり、図３の蒸留塔２０における加熱システム２３では、リボイラＴ４，Ｔ５，Ｔ６は、鉛直方向に並べて配置されて、流路Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８によって構成される循環路によって直列に接続される。塔２底部の下端から流下する液体Ｌは、最下位置のリボイラＴ４に流入して加熱されると上昇し、流路Ｒ６を通じて中位置のリボイラＴ５に流入し、同様に加熱により上昇して流路Ｒ７を通じて最上位置のリボイラＴ６で更に加熱される。この間に、加熱された液体Ｌ中に気泡が生じ、リボイラＴ６から流路Ｒ８を通じて塔２へ還流される液体Ｌには気泡が共存する。
【００３２】
図３の構成には、加熱された液体Ｌから発生するガスの分離が含まれていない。しかし、サーモサイフォン型リボイラを用いた場合にも、加熱された液から発生するガスを分離して塔に戻すように蒸留塔を構成することが可能である。例えば、図４に示すように、加熱システム３３に気液分離器Ｇ１，Ｇ２を組み込んで、加熱した液体Ｌからガスを分離して塔２に戻すように蒸留塔３０を構成することができる。
【００３３】
具体的には、水平方向に並べられ、実質的に同じ高さ（つまり、誤差程度の高さのズレは許容される）に位置する３つのリボイラＴ４’，Ｔ５’，Ｔ６’の間に２つの気液分離器Ｇ１，Ｇ２を介在させ、塔２底部に貯留する液体Ｌを循環させる循環路は、塔２底部の下端とリボイラＴ４’とを接続する流路Ｒ１１、リボイラＴ４’と気液分離器Ｇ１とを接続する流路Ｒ１２、気液分離器Ｇ１とリボイラＴ５’とを接続する流路Ｒ１３、リボイラＴ５’と気液分離器Ｇ２とを接続する流路Ｒ１４、気液分離器Ｇ２とリボイラＴ６’とを接続する流路Ｒ１５、及び、リボイラＴ６’と塔２底部の側壁とを接続する流路Ｒ１１によって構成される。塔２底部に貯留する液体Ｌは、重力によって流路Ｒ１１を流下し、リボイラＴ４’へ下側から導入されて加熱される。リボイラＴ４’で加熱された液体Ｌは、気泡の発生と共に上昇して流路Ｒ１２から気液分離器Ｇ１に流入する。気液分離器Ｇ１において気泡を放出した液体Ｌは、流路Ｒ１３を流下して、リボイラＴ５’へ下側から導入されて加熱される。リボイラＴ５’においても同様に、加熱された液体Ｌは、気泡の発生と共に上昇して流路Ｒ１４から気液分離器Ｇ２に流入する。気液分離器Ｇ２において気泡を放出した液体Ｌは、流路Ｒ１５を流下してリボイラＴ６’へ下側から導入されて加熱される。リボイラＴ６’で加熱された液体Ｌは、気泡の発生と共に流路Ｒ１６を上昇して塔２の底部へ還流される。一方、気液分離器Ｇ１，Ｇ２においては、液体Ｌから発生するガスが分離され、分別路Ｓ４，Ｓ５を通って合流し、塔２底部に貯留する液体Ｌの上方へ放出される。
【００３４】
図４の蒸留塔３０において、リボイラＴ４’〜Ｔ６’及び気液分離器Ｇ１，Ｇ２の位置は、塔２の底部（貯留する液体Ｌ）と同程度の高さに配置することもできるが、図４のように、リボイラＴ４’〜Ｔ６’の位置が塔２の底部より低く、気液分離器Ｇ１，Ｇ２の位置がリボイラＴ５’，Ｔ６’の位置より高くなるように設置すると、重力による流動及びリボイラのサーモサイフォン機能を液体Ｌの移送に有効に利用することができる。リボイラＴ４’〜Ｔ６’の位置は、下流に向かって順次低くなるように配置しても良い。尚、最下流に位置するリボイラＴ６’によって加熱される液体Ｌは、気泡と共に塔２へ移送される。この点に関して、図示の都合上、リボイラＴ６’は塔２から最も離れるように記載されるが、実際には、リボイラＴ６’と塔２とを近接させて流路Ｒ１６が短くなるようにリボイラＴ４’〜Ｔ６’の配置を設定することができ、その場合、リボイラＴ６’の加熱によって発生するガスは、塔２内へ即時放出することができる。
【００３５】
図４の実施形態において、リボイラＴ６’の後段に気液分離器を設けてガスを分離するように変更すると、液体Ｌを移送する動力源を失い、液体Ｌは循環されないので、その場合には、気液分離器から塔２へ液体を移送するためのポンプが必要となる。従って、ポンプを利用せずに図４の加熱システムにおける液の移送を実施するには、最下流に位置するリボイラの下流においては気液分離器によるガス分離を行わないことが必要である。従って、気液分離器の数は、リボイラの数より少なくとも１つ少なくなる。尚、この実施形態においても、図１又は図２の実施形態と同様に、気液分離器Ｇ１，Ｇ２及び分別路Ｓ４，Ｓ５の一部を省略することは可能であるが、より大きい効果を得るには分別路を省略しないことが好ましい。
【００３６】
サーモサイフォン機能の利用は、図１又は図２の実施形態に適用することも可能である。例えば、図２の蒸留塔１０の加熱システム１３において、循環路の最下流に位置するリボイラＴ３’を、ケトル型リボイラからサーモサイフォン型リボイラに変更して、液体Ｌを下側から上側へ上昇させるように循環路（流路Ｒ３，Ｒ３’）を配置することによって、サーモサイフォン機能を利用できるので、ポンプＰ１の省略が可能になる。この際、リボイラＴ３’においてガス分離は行われないので、分別路Ｓ３は当然省略される。
【００３７】
図１〜図４の実施形態においては、加熱要素として同種のリボイラを用いて加熱システムを構成しているが、異なる種類の加熱要素を組みあわせて用いて加熱システムを構成してもよい。例えば、図１，２の実施形態におけるリボイラの少なくとも１つをサーモサイフォン型リボイラに変更しても良い。但し、その場合には図４のようにサーモサイフォン型リボイラの下流側に気液分離器を伴うように組み込んで、気液分離器から分別路が分岐するように構成する必要がある。或いは、図４の実施形態において、リボイラＴ４’及び／又はリボイラＴ５’をケトル型リボイラに変更しても良く、その場合、気液分離器Ｇ１及び／又は気液分離器Ｔ５’、つまり、ケトル型に変更したリボイラの直下流の気液分離器を省略して、分別路Ｓ４及び／又は分別路Ｓ５がケトル型リボイラから分岐するように構成する。これにより、塔２から流下する液体Ｌは、ケトル型リボイラにおいて、加熱されると共に発生するガスから分離されて移送され、その後、液体Ｌはサーモサイフォン型のリボイラＴ６’に導入され、リボイラＴ６’中の上昇流を利用して塔２に還流される。
【００３８】
二酸化炭素回収装置の再生塔として蒸留塔を使用する際に、再生塔から放出される回収二酸化炭素から熱量を回収して再利用することができるが、このような回収熱量を上述の実施形態における加熱要素の熱源として利用することも可能である。例えば、塔２から排気路６を通じて放出される二酸化炭素を含むガスは、圧縮器等を用いて加圧すると圧縮熱により温度が上昇して高温になり、この高温ガスの熱量を熱交換器を用いて回収することができるので、このような熱量回収用の熱交換器を、リボイラの代わりに組み込むことによって、加熱システムの加熱要素として利用することができる。この際、図１，２のケトル型リボイラの代わりに組み込む場合には、熱量回収用の熱交換器と共に気液分離器も導入し、図４のサーモサイフォン型リボイラについては等価交換が可能である。具体的には、図１又は図２の加熱システム３，１３に熱量回収用の熱交換器を導入する場合は、前述のサーモサイフォン型リボイラへの変更の場合と同様に、熱量回収用の熱交換器と共に、その下流に配置される気液分離器も組み込んで、図４の構成のように、熱交換器で加熱された液体から放出されるガスを気液分離器によって分離するように接続する。図４の実施形態では、加熱システム３３のリボイラＴ４’、Ｔ５’の何れかの代わりに組み込むことによって、加熱システムの加熱要素として利用することができる。
【００３９】
このように異なる種類の加熱要素（熱源）を用いて液体を繰り返し加熱するように構成する際に、熱源の温度が異なる場合には、液体Ｌの循環路において後段（下流）に位置するに従って熱源の温度が高くなるように配置するとよい。従って、排気路６のガスから熱回収する際のエネルギー効率を勘案して設定される圧縮ガス温度に応じて、熱回収用の熱交換器に変更するリボイラを選択することができる。例えば、図４においては、排気路６のガスから熱量を回収する熱交換器をリボイラＴ４’の代わりに利用すると、ガスの圧縮率は最も低く設定可能である。
【００４０】
複数のリボイラは、スチーム供給源に対して並列に接続されれば、各々の熱源温度は同一になるが、スチームが複数のリボイラを順次通過するように直列に接続すると、スチーム供給源から下流に位置するほど熱源温度は下がる。本発明の加熱システムは、熱源の温度が異なる加熱要素の利用が可能であるので、熱源温度が必要とする温度に達する限り、このようなスチーム源に対して直列に接続したリボイラの使用も可能である。その場合、循環路を流れる液体Ｌがリボイラを通過する順序と、スチームがリボイラを流れる順序は逆になる。
【００４１】
上述したような、複数の加熱要素を直列に接続して用いる加熱システムは、熱源の温度が異なる加熱要素を利用できる点において、加熱要素を並列に接続するものとは異なる。つまり、他の施設の廃熱や装置内で回収される熱を利用し易い構造であるので、熱効率及びエネルギー効率の改善において極めて有利である。又、沸点近辺に加熱された液体は、発生するガスを気泡として含んだままの状態では、圧力上昇による沸点上昇を生じて液体中成分の分解・変質が進行し易くなるが、本発明のようにガスを分離することによって、このような成分の分解・変質は抑制され、又、加熱に消費される熱量の削減にも貢献できる。従って、本発明の蒸留塔は、アルカノールアミン類等のアミン化合物の水溶液を吸収液として用いる二酸化炭素回収装置の再生塔として非常に有用である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、一般的な分離・精製プロセスに用いる蒸留塔だけでなく、火力発電所や製鉄所、ボイラーなどの設備から排出される二酸化炭素含有ガスの処理等に用いられる二酸化炭素回収装置の再生塔等として利用でき、加熱効率の改善や省エネルギーに有利で、環境保護に貢献可能な蒸留塔を提供できる。
【符号の説明】
【００４３】
１，１０，２０，３０  蒸留塔、  ２  塔、
３，１３，２３，３３  加熱システム、  ４  供給路、
５  環流路、  ６  排気路、  Ｆ  充填材、
Ｒ１〜Ｒ８，Ｒ２’，Ｒ３’，Ｒ１１〜Ｒ１６  流路、
Ｓ１〜Ｓ５  分別路、  Ｔ１〜Ｔ６，Ｔ２’〜Ｔ６’  リボイラ、
Ｐ１〜Ｐ３  ポンプ、  Ｇ１，Ｇ２  気液分離器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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