「メタノール蒸留工程における廃熱を活用した省エネ・省CO2の取り組み」

木村化工機株式会社
KIMURA CHEMICAL PLANTS CO.,LTD.

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コンデンサ

リボイラ

蒸留塔「メタノール蒸留工程における廃熱を活用した省エネ・省CO2の取り組み」

＊
真空ポンプ

冷水：35℃

冷水：30℃

回収メタノール(濃度：99wt%以上）

温水：85℃

電力
コンデンサから熱を回収＆
高温水を加熱温水：90℃

ヒートポンプ

処理排水(濃度：約0.1wt%以下)
予熱器

メタノール排水(濃度：50wt%)

省エネのポイント・ヒートポンプを用いることで、コンデンサの冷却水から廃熱を回収し、リボイラの熱源として再利用することが可能。
・蒸気の使用量を削減し、約５０％のランニングコストダウンを実現。
(蒸気単価:5,000円/ton,電気単価:12円/kWとした場合)

省エネ対策及びCO2の削減により各種補助金の対象になります。

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省エネ型蒸留装置と言えば...ヒートポンプ式蒸留装置
コンデンサの冷却水から熱を奪いヒートポンプで昇温しリボイラの熱媒(温水)を加熱する
コンデンサ

蒸留塔

ヒートポンプ

昇圧(昇温)

リボイラ

ヒートポンプ式メタノール蒸留装置(2017)

省エネ大賞
経済産業大臣賞 受賞

塔頂と塔底の温度差によるが、ＣＯＰは3～4程度になる。
MVR、HIDiCでは液種により圧縮機の材質やシール方法の課題があるが、本システムは水を媒体とするため汎用のヒートポンプが使用できる。

ヒートポンプ式蒸留塔の熱の動き

コンデンサで冷却し潜熱を損失

4045

塔頂

液温度、蒸気温度 [℃ ]

972kW

M50

Feed段

ヒートポンプCOP:3.655

上昇する
ベーパー

⊿T=44.0℃

下降液に冷却されエンタルピーは僅かに下降60

下降する液

塔底

653,500kW

省エネ率：28.6%(一次エネルギー換算)

ベーパーに加熱されエンタルピーは僅かに上昇

70

75
0500,000

リボイラで加熱し潜熱を獲得
1,000,000

1,500,000

2,000,000

2,500,000

3,000,000

液エンタルピー、蒸気エンタルピー [ kcal/h ]©2019 KIMURA CHEMICAL PLANTS CO.,LTD.

002

特許
高COPヒートポンプ HR-95GN
株式会社神戸製鋼所との共同開発機

電力

熱回収コンデンサ

コンデンサ

真空ポンプ

低温水

コンデンサから熱を回収＆
高温水を加熱

38℃
32℃

CWR
CW
純水

第一蒸留塔
リボイラ

高濃度アンモニアガス

第二蒸留塔

高温水→

予熱器
処理排水
(濃度：10ppm)
アンモニア排水(濃度：1%)

回収アンモニア水(濃度：25wt％)

省エネのポイント・ヒートポンプを用いることで、熱回収コンデンサの冷却水から廃熱を回収し、リボイラの熱源として再利用が可能。
・熱回収コンデンサを追加することにより、ヒートポンプの低温水温度を９５℃である高温水に極めて近い温度にすることが可能となり、高ＣＯＰヒートポンプ（ＣＯＰ：５～７.５）採用を実現。

ランニングコスト例
ヒートポンプ式(新考案)
ヒートポンプ動力(ｋW)60※ランニングコスト(千円/年)

5,760

【条件】
処理量：3ton/hr
アンモニア排水濃度 ：1wt％ ⇒ 25wt％
電気：12円/kW
年間運転時間：8,000時間※ポンプ等補機を除く

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アンモニア排水から水素を燃料に利用
燃料電池発電H2

アンモニア回収装置

プラズマ反応容器

水素燃料電池電気

水素自動車
HYDROGENSTATION

HS

アンモニア回収装置

水素製造機

コンプレッサーH2タンク

H2ステーション

水素自動車

蒸気ボイラ

蒸気

アンモニア回収装置

水素製造機

コンプレッサー

H2タンク

ボイラ

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重金属除去の前処理として一般的なアルカリ沈殿法は凝集沈殿法の一種で、苛性ソーダなどのアルカリ剤を添加して、スケーリング成分を難溶性の水酸化物として析出させ、排液から分離する。このとき Be、Al、Zn、Sn、Pb などの両性金属は水酸化物イオン濃度が一定以上に上昇すると、水酸化物錯体を形成し、再溶解する。また、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Cd、Pt、Hg はアンモニアと錯イオンを形成し易い為、アンモニアを含む排液では凝集沈殿の上澄み液中にこれらの錯イオンが溶解するという問題がある。
この問題の対策として、上澄み液に膜分離法を適用することで、より高度なスケーリング成分除去が可能となると考えられる。RO 膜は水和を起こしていない遊離アンモニア（NH3）と水を透過するが、これらのアンミン錯イオンおよびアンモニウムイオン（NH4+）は透過しにくい。但し、膜にとって過酷な高 pH 条件下での運転となることと、飽和状態の上澄み液の濃縮となる為、膜の透過速度、分離性能、ライフの確認試験、及び膜表面における塩の析出確認は必須となる。

6．おわりに
当社は 1980 年に初めて MVR 型蒸発装置を建設して以来、多くの蒸発・蒸留装置を建設してきた。また、ヒートポンプ式蒸留装置についても、昨年実設備の導入を実現するに至った。このヒートポンプ式メタノール蒸留装置は平成 30 年 2 月に省エネ大賞経済産業大臣賞(産業分野)を受賞するに至った。
本稿で紹介した MVR 式蒸留装置、ヒートポンプ式蒸留装置、共に現在特許出願中である。特にヒートポンプについては、蒸留装置専用機を共同開発することで、更なる省エネを実現する予定である。
技術は日進月歩で進化しており、新技術で建設した装置も、それを建設した時点で既に古くなっていると言える。従って技術者としては、次の建設時は更なる省エネ化を図った技術を導入しなければならず、省エネ技術に携わる者は常に技術開発に真摯に取り組んでいなければならないと考える。
当社もそうした技術集団であろうと心がけ、顧客に提案し、常に改善を図った設計、技術開発に取り組んでいる。また、蒸留装置、膜分離装置ともに、パイロット装置で実液テストによる最適化の検討も実施している。ご興味を持たれた方は、気軽に弊社ホームページをご覧いただきご質問等頂きたい。

参考文献
１）環境省 “化学的酸素要求量、窒素含有量及びりん含有量に係る総量削減方針” 2016 年 9 月 30 日策定
２）松尾

中西

“蒸発・蒸留システムの省エネルギー化”

産業機械 2017 11

３）松尾

中西

“MVR 技術を利用した蒸発/蒸留装置”

４）松尾

中西

“MVR（Mechanical Vapor Recompression）の概要” エレクトロヒート 2016 NO.209

５）松尾

中西

“木村化工機の MVR を用いた蒸留システムの紹介” エレクトロヒート 2016 NO.209

６）松尾“蒸留塔へのヒートポンプ導入実績” エレクトロヒート 2017 NO.213

配管技術 2017 10

出典：株式会社工業通信 「化学装置 第６０巻 第４号」 (2018年4月号、32頁-35頁）©2019 KIMURA CHEMICAL PLANTS CO.,LTD. 008

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度を下回るよう、蒸留塔を真空操作することにより、全体の温度バランス、熱負荷が適切になるようなシステム設計を行う。
回収対象となる溶剤は様々な種類があり、蒸留塔の塔底側と塔頂側の必要熱量に大きな差が生じる
場合には蒸留塔を 2 分割する方がエネルギー的に有利になる。図-1 の例では蒸留塔を 2 塔に分割し、1 塔目にヒートポンプを適用することで、消費エネルギーの少ない蒸留システムを実現している。
つまり、第１蒸留塔の塔頂部を中間濃度に設定することにより、ヒートポンプの低温水温度を 95℃である高温水温度に極めて近い温度に調整でき、高 COP ヒートポンプ(COP 6～8)の適用が可能となる。
３．希薄溶剤（メタノール）の回収例
低濃度のメタノール（2wt%）を含む排水を 3 種類の蒸留システムで溶剤回収処理した場合のランニングコストの比較例を表-1 に示す。この結果から、蒸留塔を 2 塔に分割し、熱負荷の大きい第 1 蒸留塔に高 COP ヒートポンプを適用した本装置のシステムが、圧倒的な省エネルギー効果を得ることがわかる。
また、ランニングコスト以外のメリットとして、ヒートポンプの高温水側の熱量が大きくなるため、第 2 蒸留塔は第 1 蒸留塔の余剰熱を利用でき、リボイラーが不要となる。更に第 2 蒸留塔の塔径を第 1 塔の 1/3～2/3 にすることができる。
ケース① 通常の蒸気加熱式蒸留システム
ケース② トップコンデンサーにヒートポンプを適用したシステム
ケース③ 蒸留塔を分割し第１蒸留塔にヒートポンプを適用したシステム（本装置）【条件】
排水の供給量 ： 10 トン/hr
排水のメタノール濃度 ： 2wt%
回収メタノール濃度 ： 99wt%
年間稼働時間 ： 8,000 時間
電力 ： 12 円/kW
蒸気 ： 5,000 円/トン
表-1 蒸留システム別のランニングコスト比較
COP（成績係数）

ランニングコスト（千円／年）

ヒートポンプ動力（kW）

処理水メタノール濃度（ppm）

ケース①－107,500－

5

ケース②

3.547,200492

5

ケース③6.525,500

2655

４．ヒートポンプ式メタノール蒸留装置の省エネルギー化事例
次に希薄溶剤ではないが、濃度約 50wt%のメタノール排水をヒートポンプによる熱回収を適用した蒸留システムで 99wt%以上の濃度でメタノールを回収した事例を示す（図-2）。なお、本事例は名糖産業株式会社、三菱 UFJ リース株式会社、一般社団法人日本エレクトロヒートセンターと共同で実施し、平成29 年度の省エネ大賞（省エネ事例部門）の経済産業大臣賞（産業部門）を受賞させて頂いた。
本システムはヒートポンプを用いてコンデンサーの冷却水から廃熱を回収し、リボイラーの熱源 として再利用した例で、スチームの使用量を大幅に削減でき、既設の通常の蒸留塔と比較して、約 50％のランニングコストダウンを実現した。また、本システムはアンモニアの回収や各種低沸点溶剤の回収にも適用可能であり、省エネ対策および CO2 削減により各種補助金の対象になる。

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６．おわりに我が国が目指す持続可能な低炭素社会の構築を実現するためには、化学装置も炭素の循環と省エネルギーを意識した設計思想が必要となる。当社は特に省エネルギー型化学装置の設計製作を得意としており、30 年以上前から MVR 型（自己蒸気圧縮型）蒸留・蒸発装置の実績を重ね技術を確立している。最近では高温水ヒートポンプを適用した省エネルギー型蒸留システムも手がけており、常に更なる省エネルギー化を目指した技術導入に取り組んでいる。これからも、炭素循環、省エネ、CO２削減をキーワードに技術開発を進め、顧客に提案していきたい。本技術に興味を持たれた方は、ぜひ当社に問い合わせ頂ければ幸いである。

出典：一般社団法人日本産業機械工業会 「産業機械 No.818 Nov」 (2018年11月号、8頁-10頁）©2019 KIMURA CHEMICAL PLANTS CO.,LTD. 012

ヒートポンプとはエアコンや冷蔵庫と同様に、電力と内部に循環する冷媒を用いて、熱を温度の低い場所から高い場所へ移動させる装置です。
熱を発生させるのではなく、電力を用いて低温の廃熱を回収し、ヒートポンプにて温度レベルを上げることでエネルギーを効率的に利用でき、省エネ効果が期待できます。
ヒートポンプを用いる事で、コンデンサの冷却水から廃熱を回収し、加熱器（リボイラ等）の熱源として再利用します。
蒸気の使用量を削減し、ランニングコストダウンを実現します。
画期的な省エネフロー
・高COPヒートポンプの性能を最大限発揮できるフローをご提案。
・消費エネルギーの少ない蒸留システムを実現。

熱回収蒸留計算に柔軟性の高いソフトを自社開発
・蒸留塔の必要エネルギーを解析。
・ヒートポンプと熱回収コンデンサとの任意組合せを自動計算。
・二塔分割式蒸留塔計算にも対応。
・装置全体の安定運転に不可欠な、立上げ、定常、停止操作の制御シミュレーションが可能。
・蒸留塔とヒートポンプとの連動性を向上。

汎用ヒートポンプを採用
・部品供給、メンテナンスも安心。
・予備機を含んだ台数制御を採用しており、操業安定性を向上。

省エネ対策及びCO2の削減により各種補助金の対象になります。
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