(57)【要約】【課題】原料組成が近似したものから目的の蒸留物を通常の温度制御方式と同じ精度と設備費、運転費で運転を行い、経済性が良好な蒸留装置及び蒸留装置の制御方法を提供する。【解決手段】原料を供給して目的の物質を蒸留する蒸留装置において、原料１０１中の指標物質の濃度を計測する原料濃度計測手段１０２と、蒸留塔１０内に設けられ、蒸留物の濃縮部１０３及び回収部１０４において指標物質の濃度を計測する濃縮部側蒸留塔内濃度計測手段１０５、回収部側蒸留塔内濃度計測手段１０６と、蒸留製品の回収率基準又は不純物の濃度基準を満たすように、蒸留物の還流量又は焚き上げ量又は蒸留製品量の少なくとも一つを制御する制御手段１０７とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を供給して目的の物質を蒸留する蒸留装置において、
原料中の指標物質の濃度を計測する原料濃度計測手段と、
蒸留塔内に設けられ、蒸留物の濃縮部又は回収部の少なくとも一方において指標物質の濃度を計測する蒸留塔内濃度計測手段と、
蒸留製品の回収率基準又は不純物の濃度基準の少なくとも一方を満たすように、蒸留物の還流量又は焚き上げ量又は蒸留製品量の少なくとも一つを制御する制御手段と
を具備することを特徴とする蒸留装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記蒸留塔内濃度計測手段が、蒸留製品の回収率又は不純物の濃度の少なくとも一方を変化させた際に、指標物質の濃度の変動幅が大きな場所に設置してなることを特徴とする蒸留装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記原料が脱ベンゼン後の軽質ナフサであり、蒸留物がノルマルヘキサンであることを特徴とする蒸留装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記不純物がＣ７成分以上の炭化水素及びベンゼンであることを特徴とする蒸留装置。
【請求項５】
原料を供給して目的の物質を蒸留する蒸留装置の制御方法において、
原料中の指標物質の濃度を計測し、
蒸留物の濃縮部又は回収部の少なくとも一方において、指標物質の濃度を計測し、
蒸留塔内における蒸留製品の回収率基準又は不純物の濃度基準の少なくとも一方を満たすように、蒸留物の還流量又は焚き上げ量又は蒸留製品量の少なくとも一つを制御することを特徴とする蒸留装置の制御方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記蒸留塔内濃度の計測を、蒸留製品の回収率又は不純物の濃度の少なくとも一方を変化させた際に、指標物質の濃度の変動幅が大きな場所において行うことを特徴とする蒸留装置の制御方法。
【請求項７】
請求項５又は６において、
前記原料が脱ベンゼン後の軽質ナフサであり、蒸留物がノルマルヘキサンであることを特徴とする蒸留装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば複数の異性体又は近似した沸点を有する原料中から所望の蒸留物質を蒸留することができる蒸留装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油精製、石油化学の炭素数５，６，７の炭化水素からなる脱ベンゼン後の軽質ナフサはオクタン価が低いため、ガソリン基材としては使用が制限される。このためオクタン価の低い原因となっている直鎖状の脂肪族炭化水素（ノルマルパラフィン）を異性化反応により高オクタン価の枝別れの多い鎖状の脂肪族炭化水素に転換する。異性化反応には炭素数７以上の炭化水素およびベンゼンが障害となるので、これらは５％以下、望ましくは１％以下に抑える必要がある。
【０００３】
このため、従来においては、炭素数５及び６の炭化水素と７以上の炭化水素を分離するには、多段の精密蒸留装置が使用されている。
図８に従来の蒸留装置の概略を示す。
図８に示すように、蒸留装置１０には多数の棚段（トレイ）または充填物からなる蒸留塔本体１１と塔頂蒸気１２を凝縮する凝縮器（コンデンサー）１３、凝縮液１４を製品１５として取り出すとともに塔頂に還流として返すためのポンプ１６、凝縮液１４を一時的に保有するための還流槽１７が設置されている。
また、塔底側には棚段等から流下して来た液１８を再蒸発させるための再沸器（リボイラー）１９、塔底製品２０を抜き出すためのポンプ２１等が設置されている。なお、図中、符号２２ａは流量調節器であり、２２ｂは調節弁であり、２３は還流槽１７内の液面調節器を各々図示している。
【０００４】
蒸留装置１０は製品性状を満足するような分離性能を有するように設計されているが、原料の量、組成、リボイラー焚き上げ量、還流量、圧力等運転変動、外乱に対しても常に製品規格満足するように制御システムが設置されている。
【０００５】
一般的に製品性状を一定にするための制御はいわゆる温度制御方式が採用されている。これは、塔頂又は塔底製品の品質はそれぞれの製品に含まれる不純物濃度または、目的物質の純度等の組成が一定になるように制御するが、製品組成の微少量の変化と塔内の特定の棚段または充填物の特定の部分の組成に大きく影響し合う部分がある。相律から組成の変化は温度の変化になる。温度の変化が大きければ、制御としては、大きく影響を受ける部分の温度を検出して、規定の温度からのずれを修正するように、リボイラー焚き上げ量、還流量、あるいは製品抜き出し量等を調整することで製品組成を一定に維持することで製品性状が維持するようにしている（非特許文献１）。
【０００６】
また、組成の変化が大きな温度の変化にならない場合には、温度制御方式は採用出来ないので物質収支制御方式を採用する必要があり、原料供給量、塔頂および塔底製品抜き出し量、還流量、リボイラー焚き上げ量等を分離に必要な量以上の値に固定して塔内の物質及び熱収支が一定になるように維持するようにしている（非特許文献１）。
【０００７】
【非特許文献１】
「プロセス設計シリーズ３、分解・加熱・蒸留を中心にする設計」化学工学協会編、昭和４９年１１月２０日丸善株式会社発行２３１−２３６頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭素数５，６の炭化水素と炭素数７以上の炭化水素の分離をする場合には、下記「表１」に示すように、それぞれ異性体が多く、沸点が近いものが多い原料組成となっている。このため、蒸留による分離が困難であるばかりでなく、塔頂及び塔底製品の組成の変化と塔内での組成の変化が大きい部分はあるが、大きな温度の変化としては現れないので、温度制御による蒸留は困難であるという、問題がある。
【０００９】
【表１】
2005021833.tif 000003
【００１０】
したがって、今回の蒸留は製品性状を維持するためには温度制御方式は採用出来ず、不完全な物質収支制御方式を通常は採用せざるを得ない。この場合原料組成、リボイラー熱源、凝縮器冷媒等の変動は補償されないので十分な余裕のある過大な設備と省資源、省エネルギーに反することになるが余裕のある運転をせざるを得ない、という問題がある。
【００１１】
本発明は、前記問題に鑑み、原料組成が近似したものから目的の蒸留物を通常の温度制御方式と同じ精度と設備費、運転費で運転を行い、経済性が良好な蒸留装置及び蒸留装置の制御方法を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、蒸留塔の塔頂及び塔底製品の性状、すなわち組成が塔内の特定段の組成に大きく影響することに着目し、その棚段の組成検出し、組成を規定値に維持するように、リボイラー焚き上げ量、還流量を調節することで、通常の温度制御方式と同じ精度と設備費、運転費でも経済性が図れることを知見した。
また、目的の蒸留物の回収率も特定段の組成に影響することに着目し、同様にリボイラー焚き上げ量、還流量、塔頂からの蒸留製品量を調節することで経済的に回収率も維持出来ることを知見した。
【００１３】
かかる知見に基づく本発明の第１の発明は、原料を供給して目的の物質を蒸留する蒸留装置において、原料中の指標物質の濃度を計測する原料濃度計測手段と、蒸留塔内に設けられ、蒸留物の濃縮部又は回収部の少なくとも一方において指標物質の濃度を計測する蒸留塔内濃度計測手段と、蒸留製品の回収率基準又は不純物の濃度基準の少なくとも一方を満たすように、蒸留物の還流量又は焚き上げ量又は蒸留製品量の少なくとも一つを制御する制御手段とを具備することを特徴とする蒸留装置にある。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記蒸留塔内濃度計測手段が、蒸留製品の回収率又は不純物の濃度の少なくとも一方を変化させた際に、指標物質の濃度の変動幅が大きな場所に設置してなることを特徴とする蒸留装置にある。
【００１５】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記原料が脱ベンゼン後の軽質ナフサであり、蒸留物がノルマルヘキサンであることを特徴とする蒸留装置にある。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明において、前記不純物がＣ７成分以上の炭化水素及びベンゼンであることを特徴とする蒸留装置にある。
【００１７】
第５の発明は、原料を供給して目的の物質を蒸留する蒸留装置の制御方法において、原料中の指標物質の濃度を計測し、蒸留物の濃縮部又は回収部の少なくとも一方において、指標物質の濃度を計測し、蒸留塔内における蒸留製品の回収率基準又は不純物の濃度基準の少なくとも一方を満たすように、蒸留物の還流量又は焚き上げ量又は蒸留製品量の少なくとも一つを制御することを特徴とする蒸留装置の制御方法にある。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明において、前記蒸留塔内濃度の計測を、蒸留製品の回収率又は不純物の濃度の少なくとも一方を変化させた際に、指標物質の濃度の変動幅が大きな場所において行うことを特徴とする蒸留装置の制御方法にある。
【００１９】
第７の発明は、第５又は第６の発明において、前記原料が脱ベンゼン後の軽質ナフサであり、蒸留物がノルマルヘキサンであることを特徴とする蒸留装置の制御方法にある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明による実施の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００２１】
［第１の実施の形態］
図１は本実施の形態にかかる蒸留装置の概略図である。なお、従来の図８の装置と同一構成部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図１に示すように、本実施の形態にかかる蒸留装置は１００、原料を供給して目的の物質を蒸留する蒸留装置において、原料１０１中の指標物質Ｘの濃度を計測する原料濃度計測手段１０２と、蒸留塔１０内に設けられ、蒸留物の濃縮部１０３及び回収部１０４において指標物質の濃度を計測する濃縮部側蒸留塔内濃度計測手段１０５、回収部側蒸留塔内濃度計測手段１０６と、蒸留製品の回収率基準又は不純物の濃度基準を満たすように、蒸留物の還流量又は焚き上げ量又は蒸留製品量の少なくとも一つを制御する制御手段１０７とを具備するものである。
本実施の形態では、原料としてベンゼンを除去した軽質ナフサを用いて以下説明する。
【００２２】
ここで、本実施の形態では、蒸留基準として、蒸留塔１１の塔頂からの製品（Ｃ６−留分）１５を炭素数７以上（Ｃ７＋）及びベンゼンの濃度を５重量％以下、望ましくは１％以下としている。
一方、製品であるノルマルへキサン（ｎＣ６）の回収量を原料として供給ノルマルへキサン（ｎＣ６）量の８０〜９８％以上、望ましくは９０％以上としている。
一方、塔底製品（Ｃ７＋留分）２０のノルマルへキサン未回収許容量は原料として供給ノルマルへキサン（ｎＣ６）量の２０〜２％以下、望ましくは１０％以下としている。
【００２３】
ここで、一般に蒸留塔は理論段２５〜７５段程度であるが、本実施の形態にかかる蒸留塔１１は５５段の棚段塔とした場合について説明する。
【００２４】
上述したように、「表１」に示すような炭素数５，６、７、８の種々の炭化水素からなる原料１０１は、原料供給流量を調整する調節器２２ａと調節弁２２ｂにより一定流量で精密蒸留塔（デヘキサナイザー）１１のほぼ中間の１５〜３５段トレイに供給されるが、ここではほぼ中央の２７段に供給される場合を示す。
【００２５】
蒸留塔１１内では塔底から上昇して来た蒸気で原料及び塔頂から流下して来た内部還流液が加熱され、低沸点成分の炭素数５、６の炭化水素を多く含む炭化水素蒸気が発生する。塔底からの蒸気は、高沸点成分の炭素数７，８を多く含む炭化水素蒸気が凝縮する。
すなわち、各棚（トレイ）上では熱交換とともに物質交換が行われ、塔頂になるに従って低沸点成分に富み、反対に塔底になるに従って高沸点成分に富むことになる。
【００２６】
塔頂からの低沸点成分に富む塔頂留分１２はコンデンサー１３で凝縮され、還流槽１７に流入する。還流槽１７内の塔頂留分は、還流ポンプ１６により精密蒸留塔１１に還流量を調節する調節器２２ａと調節弁２２ｂを経由して一定量で戻される。なお、還流量について還流槽１７の液面のレベルに応じて液面調節器２３によって設定を変更することができる。これは、特に塔頂製品１５の製品量を制御する場合において好適である。
残りの塔頂留分１２は塔頂製品（Ｃ６−留分）１５として塔頂製品の流量を調節する調節器２２ａと調節弁２２ｂを経由して一定流量で抜き出される。抜き出し流量は還流槽１７の液面によって流量調節器２３の設定が変えられる。
【００２７】
一方、塔底ではリボイラー１９に加熱用スチームがリボイラー加熱用スチームの流量を調節する調節器２２ａと調節弁２２ｂにより一定流量で供給され、一定熱量が蒸留塔１１に供給されることになる。
この熱源でリボイラー１９から発生する炭化水素蒸気は一定量で発生し、塔内を上方からの還流液と各トレイ上で接触しながら、熱および物質交換しながら蒸留操作がおこなわれる。この、発生蒸気量は熱源のリボイラー加熱用スチーム量によるリボイラー焚き上げ量による。
【００２８】
本実施の形態では、原料からヘキサン／ヘプタンを分離する場合、蒸留塔１１では塔頂製品の品質は、蒸留塔の所定場所におけるノルマルヘキサンの濃度を濃度計測手段１０５，１０６の計測結果を基準とし、塔頂製品（Ｃ６−留分）１５中の不純物である高沸点成分Ｃ７＋とベンゼンの量を規定値以下にすることと、目的の蒸留成分であるノルマルヘキサン回収量を規定値以上に維持するように制御手段１０７において制御するようにしている。以下、この制御の内容について説明する。
【００２９】
ここで、先ず蒸留塔１１で通常行われている温度制御方式を検討するため、塔頂製品（Ｃ６−留分）１５中のＣ７＋とベンゼンの量と塔頂製品へのノルマルへキサン回収率を変化させた際における、蒸留塔１１内の各棚段と温度の関係を求めた。この結果を図２に示す。なお、変化させた試験１−４の不純物濃度と回収率の結果を「表２」に示す。
【００３０】
【表２】
2005021833.tif 000004
【００３１】
この図２によれば、塔頂製品（Ｃ６−留分）１５中のＣ７＋とベンゼンの量と塔頂製品へのノルマルへキサン回収率が変化しても、各段における温度変化は１℃程度しかなく、この温度差を検出して制御することは工業的な実際の装置においては困難であることが判明した。
【００３２】
次に、塔頂製品（Ｃ６−留分）１５中のＣ７＋とベンゼンの量と塔頂製品へのノルマルへキサン回収率を変化させて、各段のノルマルへキサン濃度の関係を求めた。この結果を図３に示す。
【００３３】
図３に示す供給段（２７段）より上方の濃縮部１０３および供給段より下方の回収部１０４について拡大して図４、５に示す。
【００３４】
この場合、指標物質は供給される物質の選定としては、原料中の組成において比較的濃度の高いものが、分析上望ましい。本実施の形態では、図１にも示すように、原料１０１中の最も高濃度のノルマルヘキサンを指標物質Ｘとした。
なお、原料として示した「表１」においては、ノルマルヘキサンの代わりにメチルシクロペンタン、２−メチルヘキサンを指標物質としてもよい。
【００３５】
この、図３、４、５に示すように、塔頂製品（Ｃ６−留分）１５中のＣ７＋とベンゼンの量と塔頂製品へのノルマルへキサン回収率を変化と各段のノルマルへキサン濃度に相関があることが判明した。
【００３６】
また、段上の指標物質ノルマルへキサン濃度が低くければ、塔頂側に高沸点成分であるＣ７＋が多くなりつつあり、塔頂製品（Ｃ６−留分）１５が製品規格を外れる可能性があることが判明した。
このため、このような場合には、再沸器１９の焚き上げ量を増加して塔内の蒸気量を増加させるとともに、還流ポンプ１６による還流量も増加させることで精留効果を高めることが出来る。
【００３７】
反対に段上の液のノルマルへキサン濃度が高ければ、還流ポンプ１６による還流量を下げ、再沸器１９の焚き上げ量も低下させることにより、省エネルギーを図ることが出来る。
【００３８】
蒸留塔内に濃度計測手段１０５、１０６を設置するために選定する段は理論段５５段としたときは濃縮部では５〜２０段、より好適には７段〜１５段、回収部では３５〜５０段、より好適には４０〜４５段のいずれかにおいて、計測することができる。なお、本実施の形態では上述の範囲について計測手段の計測位置を設定したが、いずれにせよ指標物質を決定し、該指標物質の原料中の供給時点の濃度において、蒸留製品の回収率又は不純物の少なくとも一方の濃度を変化させた際に、指標物質の濃度の変動幅が大きな場所に設置することが好ましい。
【００３９】
蒸留塔１１の濃縮部１０３側の濃度計測手段１０５の設置場所として棚段の９段を選定して、棚（トレイ）上の液のノルマルへキサン濃度と塔頂製品（Ｃ６−留分）１５中の不純物である高沸点成分Ｃ７＋とベンゼンの濃度との関係を図６に示す。
図６に示すように、トレイ上の液のノルマルへキサン濃度と塔頂製品Ｃ６−留分中の高沸点成分Ｃ７＋とベンゼンの濃度にはほぼ直線的な相関があることが判明した。
従って、塔頂製品中の高沸点成分Ｃ７＋とベンゼンの濃度を１重量％以下にするためには９段目のトレイ上の液のノルマルへキサン濃度を４６重量％になるようにリボイラー焚き上げ量と還流量とを調節すれば、経済的にも、品質的にも最適運転が可能となる。
【００４０】
また、回収部１０４側の濃度計測手段１０６の設置場所として４４段を選定して、棚（トレイ）上の液のノルマルヘキサン濃度と塔頂製品として回収されるノルマルヘキサンの回収率の相関を図７に示す。
図７に示すように、ノルマルヘキサン回収量と段上のノルマルヘキサン濃度とはほぼ直線的な相関があることが判明した。
ここで、ノルマルヘキサンの回収率を９０％に維持しようとすれば段上のノルマルヘキサン組成を２６％に維持するようリボイラー焚き上げ量と還流量と蒸留製品量のいずれか一つを調節すれば、経済的にも、品質的にも最適運転が可能となる。
【００４１】
また、上述した条件において、下記「表３」に示すように、計測手段による計測結果において変動が生じた場合には、以下のような制御を行うことで適正が蒸留を維持できるようにする。
【００４２】
【表３】
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【００４３】
Ａ：蒸留塔の濃縮部１０３において９段目が４６重量％になるか又は回収部１０４において４４段目が２６重量％となるまで還流量又は焚き上げ量を下げるように制御する。
Ｂ：運転をそのまま維持する。
Ｃ：蒸留塔の回収部１０４において４４段目が２６重量％に減少するまで還流量又は焚き上げ量を上がるように制御する。
Ｄ：蒸留塔の濃縮部１０３において９段目が４６重量％以上に増加するまで還流量又は焚き上げ量を上げるように制御する。
Ｅ：蒸留塔の濃縮部１０３において９段目が４６重量％以上に増加するまで，且つ蒸留塔の回収部１０４において４４段目が２６重量％以下に減少するまで、還流量又は焚き上げ量を上げるように制御する。
このような制御を行うことで一定品質の蒸留製品を経済的に得ることができ、経済的な省資源化を図ることができる。なお、本実施の形態では還流量と焚き上げ量について制御をするようにしているが、塔頂からの蒸留製品量についても併せて制御するようにしてもよい。
【００４４】
また、原料の組成比率において指標物質の所定個所での管理濃度は変化するので、定期的に分析する供給原料組成を基に、予め準備した管理値の設定に調整することが必要である。
【００４５】
例えば、ノルマルヘキサンの回収率を９０％に維持しようとする場合、上述した実施の形態では原料中のノルマルヘキサン濃度は２４重量％であるが、この濃度が２５．７重量％に増加するような場合には、濃縮部１０３側での濃度計１０５による計測場所（例えば９段目）の規定濃度が４６重量％から４７．３重量％に増加する（この濃度変化は別途求めた。）。
また、回収部１０４側での濃度計測手段１０６での計測場所（例えば４４段目）の規定濃度が２６．５重量％から２６．２重量％に減少する（この濃度変化は別途求めた。）。
【００４６】
よって、実際の蒸留塔内には気液の滞留量もあることから、１〜６０分程度の間隔でフィードフォワード制御を行うことが望ましい。
【００４７】
なお、これらの相関は段上の液としたが、蒸気でも同様な結果が得られる。実際の工業的な濃度計測手段１０５，１０６では濃度測定にオンストリームアナライザーとしてガスクロマトグラフが使用されるが試料の採取方法として液体が容易であり、ここでは液を採取して分析した。
【００４８】
また、本実施の形態にかかる蒸留塔は内部に棚（トレイ）を設けた構造であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、充填物を充填した蒸留塔であっても本発明を適用することができる。
【００４９】
本実施の形態は原料に軽質ナフサを用いて、ノルマルヘキサンとヘプタンとを分離するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばプロパンとプロピレンとの分離、又はノルマルブタンとイソブタンとの分離塔等のように沸点の近い２或いは３成分系の分離の場合に適用することができる。また、炭化水素系の原料に限定されるものでもない。
このように、本発明のヘキサンとヘプタンとの分離塔のように多成分系で実施するよりは簡単に実施出来、濃縮部または回収部での組成を検出して、還流量、リボイラー焚き上げ量を調節することで所定の製品性状を維持出来る。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、原料中の指標物質の濃度を計測する原料濃度計測手段と、蒸留塔内に設けられ、蒸留物の濃縮部及び回収部において指標物質の濃度を計測する濃縮部側蒸留塔内濃度計測手段、回収部側蒸留塔内濃度計測手段と、蒸留製品の回収率基準又は不純物の濃度基準を満たすように、蒸留物の還流量又は焚き上げ量又は蒸留製品量の少なくとも一つを制御する制御手段を具備するので、濃度を規定値に維持するように、リボイラー焚き上げ量、還流量又は蒸留製品量のいずれかを調節することで、通常の温度制御方式と同じ精度と設備費及び運転費で運転が可能となり、不完全な物質収支制御方式を採用することなく、経済性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる蒸留装置の概略図である。
【図２】温度と理論段数との関係を示す図である。
【図３】ノルマルヘキサン濃度と理論段数との関係を示す図である。
【図４】ヘノルマルキサン濃度と理論段数との関係を示す濃縮側の図である。
【図５】ノルマルヘキサン濃度と理論段数との関係を示す回収側の図である。
【図６】ノルマルヘキサン中の不純物濃度とヘキサン濃度との関係を示す図である。
【図７】ノルマルヘキサン回収率とノルマルヘキサン濃度との関係を示す図である。
【図８】従来技術にかかる蒸留装置の概略図である。
【符号の説明】
１０１  原料
１０２  原料濃度計測手段
１０３  濃縮部
１０４  回収部
１０５  濃縮部側蒸留塔内濃度計測手段
１０６  回収部側蒸留塔内濃度計測手段
１０７  制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005021833.tif 000008
【図４】
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【図５】
2005021833.tif 000010
【図６】
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【図７】
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【図８】
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