(57)【要約】【課題】回収部塔頂蒸気を昇圧するための圧縮機の消費エネルギーを減らして、全体としての省エネルギー効果をさらに向上させることが可能な内部熱交換型蒸留塔を提供する。【解決手段】複数の管を両端管板によって本体胴と連結することにより、本体胴の内部において各管の管内と管外が隔離された構造とするとともに、管内側と管外側の操作圧力に差をつけることにより操作温度を異ならせ、各管の管壁を伝熱面として、高圧側から低圧側に熱移動させることにより、高圧側が濃縮部、低圧側が回収部として機能するように構成された内部熱交換型蒸留塔において、回収部５の塔頂からの蒸気を昇圧した蒸気と、濃縮部４の塔底より排出される液の一部を再蒸発させた蒸気とを濃縮部４の塔底に供給することにより、圧縮機２１により圧縮することが必要な蒸気量を減らして、全体としての省エネルギーを図る。【選択図】　　　　　図１
2004033843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の管を両端管板によって本体胴と連結することにより、本体胴の内部において各管の管内と管外が隔離され、かつ、管内及び管外のそれぞれが気液の出入口を備えた構造とするとともに、
管内側と管外側の操作圧力に差をつけることにより操作温度を異ならせ、各管の管壁を伝熱面として、高圧側から低圧側に熱移動させることにより、高圧側が濃縮部、低圧側が回収部として機能するように構成された内部熱交換型蒸留塔であって、
回収部塔頂からの蒸気を昇圧した蒸気と、濃縮部塔底より排出される液の一部を再蒸発させた蒸気とを濃縮部塔底に供給するように構成されていること
を特徴とする内部熱交換型蒸留塔。
【請求項２】
回収部塔頂からの蒸気を圧縮機で昇圧して濃縮部塔底に供給するとともに、濃縮部塔底より排出される液の一部をリボイラーで再蒸発させて濃縮部塔底に供給するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留塔。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低圧塔と高圧塔を備え、高圧塔（濃縮部）側から、低圧塔（回収部）側に熱移動させることにより両者の間で熱交換を行う内部熱交換型蒸留塔に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
省エネルギー性に優れた蒸留塔として、低圧塔と高圧塔とを備え、両者の間で熱交換を行うように構成され、他との熱の授受を必要としない内部熱交換型の蒸留塔が知られている。この内部熱交換型蒸留塔は、蒸留操作の省エネルギー化を進める見地からすれば、省エネルギーに最も忠実な理論であることは、原理的にも当然であり、また、学問上からも認められているところである。
【０００３】
また、内部熱交換型蒸留塔として、複数管を両端管板によって本体胴と連結させることにより、本体胴の内部において、複数管の管内と管外が隔離された構造とし、管内及び管外のそれぞれに気液の出入口を設け、管内側と管外側の操作圧力に差をつけることにより操作温度を異ならせ、複数管の管壁を伝熱面として、高圧側から低圧側に熱移動させることにより、高圧側を濃縮部、低圧側を回収部として一つの蒸留塔を構成するようにした構造が提案されている（特開平８−６６６０１号）。
【０００４】
この内部熱交換型蒸留塔は、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本体胴１と、本体胴１内に挿入された複数管（管）２５を両端管板（上側管板（塔頂側管板）３ａ及び下側管板（塔底側管板）３ｂ）によって本体胴１と連結させることにより形成されている。そして、複数管２５の管内４と管外５は互いに隔離された構造を有しており、管内４が高圧側の濃縮部となり、管外５が低圧側の回収部となるように構成されている（ただし、管内４を低圧側の回収部、管外５を高圧側の濃縮部とすることも可能である）。
【０００５】
この内部熱交換型蒸留塔では、管内（濃縮部）４には規則充填物が充填されており、管外（回収部）５には不規則充填物が充填されている。また、本体胴１の上部には、管外（回収部）５に液を供給するための回収部液入口６、管外（回収部）５からの蒸気を抜き出す回収部蒸気出口７が配設されており、塔頂側管板３ａより上側の、管内（濃縮部）４と連通する端室１４ａには、管内（濃縮部）４に液を供給するための濃縮部液入口８が配設され、また、管内（濃縮部）４からの蒸気を抜き出す濃縮部蒸気出口９が配設されている。
【０００６】
一方、本体胴１の下部には、管外（回収部）５に蒸気を供給するための回収部蒸気入口１０、管外（回収部）５からの液を抜き出す回収部液出口１１が配設されており、塔底側管板３ｂより下側の、管内（濃縮部）４と連通する端室１４ｂには、管内（濃縮部）４に蒸気を供給するための濃縮部蒸気入口１２が配設され、また、管内（濃縮部）４からの液を抜き出す濃縮部液出口１３が配設されている。
【０００７】
そして、このような内部熱交換型蒸留塔においては、通常、図２に示すように、その濃度における沸点温度の原料液が、回収部５の塔頂に供給され、濃縮部４の塔頂蒸気が製品として外部に取り出される。
また、回収部５の塔頂蒸気は、圧縮機２１を経て高圧側の濃縮部４の塔底側に供給されるとともに、回収部５の塔底液はその一部が缶出液として外部に排出され、残りは、リボイラー２２を経て回収部５の塔底に戻される。
さらに、濃縮部４の塔底液は減圧弁２３を経て所定量が回収部５に供給されるように構成されている。
【０００８】
そして、このように構成された内部熱交換型蒸留塔においては、濃縮部を上昇する蒸気量が、塔頂で外部に製品として取り出される量（生産量）に相当する量である場合に、最も消費エネルギーが少なくなる。
そして、この場合の濃縮部塔底での上昇蒸気の最小量は、理論最小還流比より算出されるが、図２に示すような標準的な構成の内部熱交換型蒸留塔においては、この蒸気量が圧縮機の取り扱い蒸気量の最小値であると認識されている。
【０００９】
ところで、内部熱交換を行わない、通常の蒸留塔では、蒸留塔の消費エネルギーは、リボイラーで消費される熱量（スチーム等の加熱源の消費エネルギー）のみであるが、内部熱交換型蒸留塔ではリボイラーで消費される熱量の他に、圧縮機を駆動するためのエネルギーが必要となる。この圧縮機を駆動するためのエネルギーとしては、通常、電力が使用されるが、電力はその発生効率が悪いため、例えば、スチームを用いた場合の熱量に換算するにあたっては、通常、電力のｋＷ数を３倍した値が、熱量に換算したときのエネルギー（ｋＷ数）に相当するとされている。
【００１０】
すなわち、内部熱交換型蒸留塔での消費エネルギー（Ｅ）は、下記の式で表される。
Ｅ＝（リボイラー消費熱量ｋＷ）＋３×（圧縮機消費電力ｋＷ）
【００１１】
したがって、濃縮部塔底での上昇蒸気の量を最小におさえたとしても、この圧縮機での消費エネルギーは大きく、内部熱交換型蒸留塔における全体の消費エネルギーに占める割合が大きいため、内部熱交換型蒸留塔全体としての消費エネルギー効果が制約されるという問題点がある。
【００１２】
本発明は上記問題点を解決するものであり、圧縮機の取り扱い蒸気量を減らして圧縮機での消費エネルギーを小さくし、内部熱交換型蒸留塔における全体の消費エネルギーを低減することが可能な内部熱交換型蒸留塔を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の内部熱交換型蒸留塔は、
複数の管を両端管板によって本体胴と連結することにより、本体胴の内部において各管の管内と管外が隔離され、かつ、管内及び管外のそれぞれが気液の出入口を備えた構造とするとともに、
管内側と管外側の操作圧力に差をつけることにより操作温度を異ならせ、各管の管壁を伝熱面として、高圧側から低圧側に熱移動させることにより、高圧側が濃縮部、低圧側が回収部として機能するように構成された内部熱交換型蒸留塔であって、
回収部塔頂からの蒸気を昇圧した蒸気と、濃縮部塔底より排出される液の一部を再蒸発させた蒸気とを濃縮部塔底に供給するように構成されていること
を特徴としている。
【００１４】
また、請求項２の内部熱交換型蒸留塔は、回収部塔頂からの蒸気を圧縮機で昇圧して濃縮部塔底に供給するとともに、濃縮部塔底より排出される液の一部をリボイラーで再蒸発させて濃縮部塔底に供給するように構成されていることを特徴としている。
【００１５】
本発明の内部熱交換型蒸留塔においては、回収部塔頂からの蒸気を昇圧した蒸気と、濃縮部塔底より排出される液を再蒸発させた蒸気とを濃縮部塔底に供給するようにしているので、濃縮部塔底より排出される液の一部を再蒸発させるエネルギーが必要になるとともに、濃縮部を上昇する蒸気の総量が増加することになるが、圧縮機において圧縮することが必要な蒸気量を減らすことが可能になり、全体としての省エネルギーを図ることが可能になる。
すなわち、本発明のように、回収部塔頂からの蒸気を圧縮機で昇圧した蒸気だけでなく、濃縮部塔底より排出される液をリボイラーで再蒸発させた蒸気を濃縮部塔底に供給することにより、リボイラーでの消費エネルギー（消費熱量）の増加量よりも、圧縮機での消費エネルギーの減少量を大きくすることが可能になり、全体としての省エネルギー効果を向上させることが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示して、その特徴とするところを詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内部熱交換型蒸留塔の構成、気液の流れ、消費エネルギーなどを示す図である。なお、この内部熱交換型蒸留塔の基本構成は、従来の技術及び発明が解決しようとする課題の欄で示した図４（ａ）及び（ｂ）の内部熱交換型蒸留塔と同様であることから、重複を避けるため、ここでは説明を省略し、本発明の特徴とするところを図１を参照しつつ説明する。
【００１７】
この実施形態の内部熱交換型蒸留塔においては、高圧側（例えば管内）の濃縮部４から、低圧側（例えば管外）の回収部５に熱が移動するように構成されており、その濃度における沸点温度の原料液が、回収部５の塔頂に供給され、濃縮部４の塔頂蒸気が製品として外部に取り出されるように構成されている。
【００１８】
また、回収部５の塔頂蒸気は、圧縮機２１を経て高圧側の濃縮部４の塔底側に供給されるとともに、回収部５の塔底液はその一部が缶出液として外部に排出されるように構成されている。
【００１９】
そして、この内部熱交換型蒸留塔においては、濃縮部４の塔底液の一部を、リボイラー２２で再蒸発させて濃縮部４の塔底に供給し、濃縮部４の塔底液の残りを減圧弁２３を経て回収部５の塔頂に供給するように構成されている。
【００２０】
この実施形態の内部熱交換型蒸留塔においては、上述のように、回収部５の塔頂からの蒸気を圧縮機２１で昇圧した蒸気だけでなく、濃縮部４の塔底より排出される液をリボイラー２２で再蒸発させた蒸気を濃縮部４の塔底に供給するようにしているので、リボイラー２２での消費エネルギー（熱量）の増加量よりも、圧縮機２１での消費エネルギーの減少量を大きくすることが可能になり、全体としての省エネルギー効果を向上させることが可能になる。
【００２１】
なお、上記実施形態の内部熱交換型蒸留塔を用い、ベンゼン１８０ｋｍｏｌ／ｈ、トルエン１８０ｋｍｏｌ／ｈ（合計で３６０ｋｍｏｌ／ｈ）の原料液を供給して、製品であるベンゼン１８０ｋｍｏｌ／ｈ、缶出液であるトルエン１８０ｋｍｏｌ／ｈを回収する場合における、濃縮部４，回収部５を上昇、降下する気液量と、圧縮機２１の消費エネルギー（消費電力）及びリボイラー２２の消費エネルギー（消費熱量）を図１に示す。なお、図１において、括弧内に記載した気液量の数値は、ｋｍｏｌ／ｈの値である。
【００２２】
また、比較のため、従来の技術の欄において示した、「濃縮部塔底液を再蒸発させて濃縮部塔底に供給するようにした構成」を備えていない標準的な内部熱交換型蒸留塔における濃縮部４，回収部５を上昇、降下する気液量と、圧縮機２１の消費エネルギー（消費電力）及びリボイラー２２の消費エネルギー（消費熱量）を図２に示す。
【００２３】
さらに、内部熱交換を行わない従来の蒸留塔における濃縮部４，回収部５を上昇、降下する気液量と、リボイラー２２の消費エネルギー（消費熱量）を図３に示す。
【００２４】
図３に示すように、内部熱交換を行わない従来の蒸留塔においては、リボイラー２２での消費エネルギー（消費熱量）が４０００ｋＷとなる。
【００２５】
また、図２に示すように、濃縮部塔底液を再蒸発させて濃縮部塔底に供給する構成を備えていない標準的な内部熱交換型蒸留塔の場合には、リボイラー２２の消費エネルギー（消費熱量）が１３７０ｋＷ、圧縮機２１の消費電力が３６０ｋＷとなる。
この場合、内部熱交換型蒸留塔における消費エネルギー（Ｅ）は、
2004033843.tif 000003
となる。
【００２６】
これより、内部熱交換を行わない従来の蒸留塔（消費エネルギー４０００ｋＷ）に対し、３８．７％の省エネルギーを達成できることがわかる。
｛（４０００ｋＷ−２４５０ｋＷ）／４０００ｋＷ｝×１００＝３８．７％
【００２７】
また、図１に示すように、本発明の実施形態にかかる内部熱交換型蒸留塔においては、リボイラー２２の消費エネルギー（消費熱量）が１４２０ｋＷ、圧縮機２１の消費電力が３０５ｋＷとなる。
この場合、内部熱交換型蒸留塔における消費エネルギー（Ｅ）は、
2004033843.tif 000004
となる。
【００２８】
これより、内部熱交換を行わない従来の蒸留塔（消費エネルギー４０００ｋＷ）に対し、４１．６％の省エネルギーを達成できることがわかる。
｛（４０００ｋＷ−２３３５ｋＷ）／４０００ｋＷ｝×１００＝４１．６％
すなわち、本発明の内部熱交換型蒸留塔によれば、濃縮部塔底液を再蒸発させて濃縮部塔底に供給する構成を備えていない標準的な内部熱交換型蒸留塔に比べて、省エネルギー効果を３８．７％から４１．６％に向上させることが可能になる。
【００２９】
なお、上記実施形態では、ベンゼンとトルエンを含む原料液を蒸留する場合を例にとって説明したが、原料液の種類に特別の制約はなく、種々の成分を含む原料を蒸留する場合に本発明を広く適用することが可能である。
【００３０】
また、上記実施形態では、管外が回収部である場合を例にとって説明したが、本発明は、管内が回収部となるように構成された内部熱交換型蒸留塔にも適用することが可能であり、その場合にも上記実施形態の場合と同様の効果を得ることが可能である。
【００３１】
また、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、発明の要旨の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
上述のように、本発明の内部熱交換型蒸留塔は、回収部塔頂からの蒸気を昇圧した蒸気と、濃縮部塔底より排出される液を再蒸発させた蒸気とを濃縮部塔底に供給するようにしているので、濃縮部塔底より排出される液の一部を再蒸発させるエネルギーが必要になるとともに、濃縮部を上昇する蒸気の総量は増えることになるが、圧縮機により圧縮することが必要な蒸気量を減らすことが可能になり、全体としての省エネルギーを図ることが可能になる。
すなわち、本発明の内部熱交換型蒸留塔のように、回収部塔頂からの蒸気を圧縮機で昇圧した蒸気だけでなく、濃縮部塔底より排出される液をリボイラーで再蒸発させた蒸気を濃縮部塔底に供給することにより、リボイラーでの消費熱量の増加量よりも、圧縮機での消費エネルギーの減少量を大きくすることが可能になり、全体としての省エネルギー効果を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内部熱交換型蒸留塔の構成、気液の流れ、消費エネルギーなどを示す図である。
【図２】本発明と関連のある標準的な内部熱交換型蒸留塔の構成、気液の流れ、消費エネルギーなどを示す図である。
【図３】内部熱交換を行わない従来の蒸留塔の構成、気液の流れ、消費エネルギーなどを示す図である。
【図４】本発明と関連ある標準的な内部熱交換型蒸留塔の基本構成を示す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　本体胴
３ａ　　　　　　　塔頂側管板（上側管板）
３ｂ　　　　　　　塔底側管板（下側管板）
４　　　　　　　　管内（濃縮部）
５　　　　　　　　管外（回収部）
６　　　　　　　　回収部液入口
７　　　　　　　　回収部蒸気出口
８　　　　　　　　濃縮部液入口
９　　　　　　　　濃縮部蒸気出口
１０　　　　　　　回収部蒸気入口
１１　　　　　　　回収部液出口
１２　　　　　　　濃縮部蒸気入口
１３　　　　　　　濃縮部液出口
１４ａ，１４ｂ　　端室
２１　　　　　　　圧縮機
２２　　　　　　　リボイラー
２３　　　　　　　減圧弁
２５　　　　　　　複数管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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