特許 5956772 熱交換型蒸留装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5956772

(24)【登録日】2016年6月24日

(45)【発行日】2016年7月27日

(54)【発明の名称】熱交換型蒸留装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 3/26 20060101AFI20160714BHJP

   B01D 5/00 20060101ALI20160714BHJP

【ＦＩ】

   B01D3/26 A

   B01D3/26 Z

   B01D5/00 Z

【請求項の数】5

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-33978(P2012-33978)

(22)【出願日】2012年2月20日

(65)【公開番号】特開2013-169499(P2013-169499A)

(43)【公開日】2013年9月2日

【審査請求日】2015年1月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000222174

【氏名又は名称】東洋エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】若林 敏祐

(72)【発明者】

【氏名】中尾 公人

【審査官】 関根 崇

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０１６９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２５０８０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５１−１２５３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−０９８５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２２４９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第４８０３４７０（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ３／００−４２

Ｂ０１Ｄ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

濃縮部として利用される棚段塔部或いは充填塔部を有する濃縮塔と、
前記濃縮塔から見て上方に配置され、回収部として利用される棚段塔部或いは充填塔部を有する回収塔と、
前記回収塔の塔頂部と前記濃縮塔の塔底部を連通させる第一の配管と、
前記第一の配管に設置され、前記回収塔の塔頂部からの蒸気を圧縮して前記濃縮塔の塔底部に送るコンプレッサーと、
前記濃縮塔の所定の段に配置された熱交換器と、
前記回収塔の所定の段に配置され、該所定の段から一部の液を塔外部へ抜き出す液抜き部と、
前記液抜き部からの液を前記熱交換器へ導入する第二の配管と、
前記第二の配管を経由して前記熱交換器へ導入された後に該熱交換器より流出する流体を前記回収部の前記液抜き部の直下の段へ導入する第三の配管と、
を備えた熱交換型蒸留装置において、
前記回収塔の塔底部の空間と前記濃縮塔の塔頂部の空間を横方向に仕切る縦方向に延びる縦仕切り壁と、前記縦仕切り壁の両端に連結され、前記回収塔の塔底部の空間と前記濃縮塔の塔頂部の空間を縦方向に仕切る、互いに反対方向に横方向に延びる２つの横仕切り壁と、を有していることを特徴とする熱交換型蒸留装置。

【請求項2】

前記回収塔の塔頂部に、及び／又は、前記棚段塔部或いは充填塔部の所定の段に原料を供給する原料供給配管をさらに備えた、請求項１に記載の熱交換型蒸留装置。

【請求項3】

前記濃縮塔の塔底部に溜まった液を前記原料供給配管へ圧送するためのポンプ及び配管をさらに備えた、請求項２に記載の熱交換型蒸留装置。

【請求項4】

前記回収塔の塔底部の外側には該塔底部内の液を加熱するリボイラーを備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換型蒸留装置。

【請求項5】

前記濃縮塔の塔頂部の外側には該塔頂部内の蒸気を冷却するコンデンサーを備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換型蒸留装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多くの工業プロセスで広く適用される蒸留操作を実施するための蒸留装置であって、特に熱交換型蒸留装置に関する。

【背景技術】

【0002】

蒸留分離操作は、工業プロセス全般で広く適用されているが、消費エネルギーが非常に大きい単位操作でもある。そのため産業界では消費エネルギーを低減できる蒸留装置の研究がなされてきた。こうした研究において、省エネルギー性に優れた蒸留装置として内部熱交換型蒸留塔（Heat Integrated Distillation Column、以下、HIDiC と称す。）の開発が行われている。

【0003】

このHIDiCの基本的なシステムは図１に示すように、濃縮部（高圧部）と回収部（低圧部）を分離して並べた構造を有している。そして、濃縮部の操作温度が回収部の操作温度よりも高くなるように、濃縮部の操作圧力を回収部の操作圧力よりも高くする。このことによって、両者間に熱交換面があれば濃縮部から回収部に熱移動が生じるため、リボイラーにおける入熱量を小さくできる。また濃縮部の熱は回収部へ移動するため、コンデンサーにおける除熱量も小さくできる。したがって、エネルギー効率が極めて高い蒸留装置となる。

【0004】

このようなHIDiCを実用化するために、二重管構造、すなわち濃縮部を形成する内管と回収部を形成する外管とからなる二重管構造の蒸留装置（特許文献１参照）が数多く提案されている。こうした構成は濃縮部（内管）から回収部（外管）へ熱移動が生じるため、リボイラーにおける入熱量とコンデンサーにおける除熱量を小さくできるとされている。

【0005】

しかしながら、特許文献１に開示されるように濃縮部と回収部が二重管構造で構築された熱交換型蒸留装置は、次の１）〜６）のような課題があった。

【0006】

１）製品のサイドカットを行なうことが出来ない。サイドカットとは、最終の留出製品を得るまでの蒸留プロセスの途中のものを中間留分製品として抽出することをいう。

【0007】

特許文献１に記載の蒸留装置では二重管構造のチューブユニット群が互いに接するように配置されている。その上、外管および内管には規則充填物が充填されている。このため、各チューブユニットの内管から中間留分製品を取り出せるように配管を形成することが出来ず、結果、サイドカットが出来ない。

【0008】

２）原料供給段（フィード段）の最適化を行うことが出来ない。二重管構造で構築された濃縮部と回収部ではそれぞれの充填高が同じになってしまい、濃縮部と回収部の段数を自由に設定できないからである。

【0009】

３）供給する原料に応じて供給位置を変えられない。上記２）で述べたようにフィード段位置を自由に設定できない構造だからである。

【0010】

４）マルチフィード（複数の原料ストリームの受け入れ）に対応できない。上記１）で述べたように二重管の途中に原料を供給することができない構造だからである。

【0011】

５）装置のメンテナンスが困難である。上記１）で述べたように規則充填物を用いたチューブユニットが互いに隣接して密集している為、所望のチューブユニットへ完全にアクセスすることが出来ず、それらのメンテナンスを行うことが出来ない。

【0012】

６）二重管を用いた濃縮部と回収部の間の熱交換量は、伝熱面積に対して設計上の自由度がなく蒸留塔の温度分布のみに依存しており、装置設計において熱交換量の設計上の自由度が小さい。

【0013】

濃縮部と回収部の間での熱交換量Ｑは、総括伝熱係数をＵとし、伝熱面積をＡとし、濃縮部と回収部の間の温度差をΔＴとすると、Ｑ＝Ｕ×Ａ×ΔＴ で表される。二重管構造を用いたHIDiCでは内管壁面が伝熱面積となる。この伝熱面積は二重管の形で決まる固定値である。また総括伝熱係数についても、伝熱構造および熱交換を行う流体物性により決まる固定値である。そのため、上記の熱交換量算出式から分かるように、設計時の熱交換量は、濃縮部と回収部の操作圧力によって変化する、濃縮部と回収部の間の温度差によって変更できるだけである。

【0014】

上述のような課題を解決できる熱交換型蒸留装置として、本出願人は特許文献２の装置を提案している。

【0015】

図２は特許文献２に開示されている蒸留装置の一例を示している。この蒸留装置は、濃縮塔１と、濃縮塔１よりも高い位置に配置された回収塔２と、回収塔の塔頂部２ｃと濃縮塔の塔底部１ａを連通させる第一の配管２３と、回収塔の塔頂部２ｃからの蒸気を圧縮して濃縮塔の塔底部１ａに送るコンプレッサー４とを備えている。さらに蒸留装置は、濃縮塔１の所定の段に配置されたチューブバンドル型の熱交換器８と、回収塔２の所定の段に配置され、該所定の段から一部の液を塔外部へ抜き出す液抜き部２ｄと、液抜き部２ｄからの液を熱交換器８へ導入する第二の配管２４と、第二の配管２４を経由して熱交換器８へ導入された後に熱交換器８より流出する流体を液抜き部２ｄの直下の段へ導入する第三の配管２５と、を備えている。

【0016】

このような構成では、第二の配管２４によって回収塔２から濃縮塔１の熱交換器８へ液体が流れ、熱交換器８によって濃縮塔１内の蒸気の熱を奪い、この熱を第三の配管２５によって濃縮塔１から回収塔２へ移動させることができる。また、回収塔２から濃縮塔１へ重力により液体が流れ、これによって、熱交換器８内の流体は濃縮塔１から回収塔２へ押し流される。すなわち本態様の構成はサーモサイフォン方式となっているため、濃縮塔１から鉛直方向上側の回収塔２への液送においてポンプなどの圧送手段を必要としない。

【0017】

上記の第二の配管２４、第三の配管２５、および熱交換器８を用いて濃縮塔１から回収塔２へ熱移動を行う装置構成は、このような熱移動の構成を備えない蒸留装置と比べて、濃縮塔１の塔頂部に取り付けられるコンデンサー７の除熱量が小さくでき、また、回収塔２の塔底部に取り付けられるリボイラー３の入熱量も小さくできる。結果、エネルギー効率の良い蒸留装置を提供することができる。

【0018】

また、濃縮塔１や回収塔２を、普通の蒸留装置と同じ棚段塔部或いは充填塔部を用いて構成できるので、サイドカットやマルチフィードの実施において装置を特別に改良することなく対応することが可能で、また装置のメンテナンスも容易に可能である。また同様の理由から、濃縮塔や回収塔の段数の設定には自由度があり、原料供給段の最適化も行える。

【0019】

さらに、伝熱面積が設計の自由度となるので、塔内温度差に依存しないで熱交換量を決定できる。

【0020】

以上のように特許文献２記載の装置例（図２）によれば、エネルギー効率が優れ、サイドカットの実施やフィード段位置の設定に対して容易に対応することができ、装置のメンテナンスも容易になる。また、本発明の装置は設計の自由度が増した装置構造となるため、ユーザー側に受け入れられやすい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0021】

【特許文献1】特開２００４−１６９２８号公報

【特許文献2】特許第４８０３４７０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0022】

本発明者らは、図２に示した蒸留装置に関して、エネルギー効率の更なる向上、並びにユーザー側により受け入れられやすい構造を目指しており、当該蒸留装置には未だ解決すべき課題があると考えた。

【0023】

つまり、図２に示した蒸留装置では、次のような手法が採用されている。回収塔２の任意の段における液の一部又は全部が塔外の配管２４で抜き出され、濃縮塔１の任意の段に設置されたチューブバンドル型の熱交換器８に供給され、ここで熱交換が行われる。その後、濃縮塔１の熱交換器８における液及び蒸気が、サーモサイフォン効果により、塔外の配管２５を経由して回収塔２の上記の液抜出し位置の直下まで、ポンプなどで外部からのエネルギーを与えることなく戻る。こうした流体の循環が行われている。

【0024】

このような手法では、サーモサイフォン効果による流体の循環を行うためにチューブバンドル型熱交換器８の供給側（塔外の配管２４）で液ヘッド（水頭差）が必要となる。つまり、回収塔２からの液抜き出し位置Ｘと濃縮塔１の熱交換器設置位置Ｙの間の距離（高さ）に相応して配管２４，２５の鉛直方向に延びる部分が長くなると、熱交換を行う流体の圧力損失が増加するので、これに打ち勝って流体を循環させるため熱交換器８の入口位置（熱交換器８に接続する配管２４の端部）を基準とする液ヘッドも大きくなる。しかし、熱交換器８のチューブ内では、その液ヘッドの増加により圧力が高くなって沸点が上昇するため、この沸点上昇に相当する分、熱交換器８におけるチューブ内側とチューブ外側（シェル）との温度差が小さくなる。これを補填するように濃縮塔１の圧力を大きくする、すなわちコンプレッサー４の圧縮比を上げて濃縮塔１内の温度を上げる必要が生じる。よって、省エネルギー性の観点で改善すべき課題があった。

【0025】

加えて、図２に示した蒸留装置では、濃縮塔１の塔頂１ｃ付近において上昇する蒸気量及び下降する液量が少なく、また濃縮塔１の塔底１ａ付近では上昇する蒸気量及び下降する液量が多い状態となる。したがって、濃縮塔１の塔径を濃縮塔１の塔底１ｃでの上昇する蒸気量及び下降する液量に基づいて設計すると、塔頂１ｃ付近では過剰な塔径となる。一方、回収塔２の塔頂２ｃ付近においては上昇する蒸気量及び下降する液量が多く、また回収塔２の塔底２ａ付近では上昇する蒸気量及び下降する液量が少ない状態となる。そのため、濃縮塔１と同様、回収塔２の塔径を回収塔２の塔頂２ｃでの上昇する蒸気量及び下降する液量に基づいて設計すると、塔底２ａ付近では過剰な塔径となる。よって、構造及び製造コストの観点でも改善すべき課題がある。

【0026】

本発明の目的は、上述した課題に鑑み、上記の蒸留装置（図２）において、更なる省エネルギー化と製造コスト低減を図ることにある。

【課題を解決するための手段】

【0027】

本発明の一態様による熱交換型蒸留装置は、濃縮部として利用される塔体であり棚段塔部或いは充填塔部を有する濃縮塔と、濃縮塔から見て上方に配置され、回収部として利用される塔体であり棚段塔部或いは充填塔部を有する回収塔と、回収塔の塔頂部と濃縮塔の塔底部を連通させる第一の配管と、第一の配管に設置され、回収塔の塔頂部からの蒸気を圧縮して濃縮塔の塔底部に送るコンプレッサーと、を備える。さらに、この態様は、濃縮塔の所定の段に配置された熱交換器と、回収塔の所定の段に配置され、該所定の段から一部の液を塔外部へ抜き出す液抜き部と、液抜き部からの液を熱交換器へ導入する第二の配管と、該第二の配管を経由して熱交換器へ導入された後に該熱交換器より流出する流体を回収部の液抜き部の直下の段へ導入する第三の配管と、を備えている。

【0028】

こうした態様では、第二の配管によって回収塔から濃縮塔の熱交換器へ液体が流れ、この熱交換器によって濃縮塔内の蒸気の熱を奪い、この熱を第三の配管によって濃縮塔から回収塔へ移動させることができる。また、回収塔から濃縮塔へ重力により液体が流れ、これによって、熱交換器内の流体は濃縮塔から回収塔へ押し流される。すなわち本態様の構成はサーモサイフォン方式となっているため、濃縮塔から鉛直方向上側の回収塔への液送においてポンプなどの圧送手段を必要としない。

【0029】

また上記のように第二及び第三の配管並びに熱交換器を用いて濃縮塔から回収塔へ熱移動を行う装置構成は、このような熱移動の構成を備えない蒸留装置と比べて、濃縮塔の塔頂部に取り付けられるコンデンサーの除熱量が小さくでき、また、回収塔の塔底部に取り付けられるリボイラーの入熱量も小さくできる。結果、エネルギー効率の極めて高い蒸留装置を提供することができる。

【0030】

また、濃縮塔や回収塔が普通の蒸留装置と同じ棚段塔部或いは充填塔部を用いて構成されるものなので、サイドカットやマルチフィードの実施において装置を特別に改良することなく対応することが可能で、また装置のメンテナンスも容易に可能である。また同様の理由から、濃縮塔や回収塔の段数の設定には自由度があり、原料供給段の最適化も行える。

【0031】

さらに、伝熱面積が設計の自由度となるので、塔内温度差に依存しないで熱交換量を決定できる。

【0032】

加えて、本態様の特徴とするところは、回収塔の塔底部の空間と濃縮塔の塔頂部の空間を横方向に仕切る縦方向に延びる仕切り壁を有することである。これにより、濃縮塔と回収塔を合わせた重力方向長さが図２の蒸留装置よりも短くなり、装置作製のための資材が減るので、製造コストを低減することができる。

【0033】

さらに、回収塔の塔底部と濃縮塔の塔頂部が同じ塔高さに位置することにより、図２の蒸留装置と比べて、回収塔の液抜き部からの液導出位置Ｘと濃縮塔の熱交換器設置位置Ｙの間の距離（高さ）が短くなって、第二及び第三の配管の鉛直方向に延びる部分も短くなる。この結果、サーモサイフォン効果による流体循環を行うために熱交換器の供給側（第二の配管）で必要となる液ヘッドも小さくなる。この液ヘッドの減少分、熱交換器のチューブにかかる圧力が減るので、該チューブにおける沸点上昇も低く抑えられ、その分、熱交換器におけるチューブ内側とチューブ外側（シェル）との温度差を大きくとりやすくなる。これにより、濃縮塔の圧力をより小さくすること、すなわちコンプレッサーの圧縮比を低減することが可能となり、省エネルギー性を向上させることが出来る。

【発明の効果】

【0034】

本発明によれば、エネルギー効率が優れ、サイドカットの実施やフィード段位置の設定に対して容易に対応することができ、装置のメンテナンスも容易になる。また、本発明の装置は設計の自由度が増した装置構造となるため、ユーザー側に受け入れられやすい。

【0035】

加えて、本発明によれば、更なる省エネルギー化と製造コスト低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】ＨＩＤｉＣの基本的な構造を示す図。

【図2】本願に関連する先行技術である特許文献２に開示されている蒸留装置の一例を示す概略構成図。

【図3】本発明の一実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図。

【図4】図３の液抜き部の構成図。

【図5】図３の濃縮塔内に配置されたチューブバンドル型熱交換器の周辺構成を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0037】

本発明の熱交換型蒸留装置は、鉛直方向に延びる回収部として利用される塔体（回収塔）と、鉛直方向に延びる濃縮部として利用される塔体（濃縮塔）とを別々に設け、回収塔を濃縮塔から見て上方に配置した点を基本的特徴とする。なお、内部熱交換型ではない普通の蒸留装置は、鉛直方向に建てられる塔であって塔底部と棚段塔部（或いは充填塔部）と塔頂部とで構成された塔からなり、棚段塔部（或いは充填塔部）は原料供給位置を境に上側が濃縮部、下側が回収部となっており、本発明の熱交換型蒸留装置とは全く異なるものである。特に、以下に説明する形態は、本出願人が提案している図２の蒸留装置に改良を加えたものである。したがって、図２に示した構成要素と同じものには同一の符号を用いて本発明の実施形態例を説明することにする。

【0038】

図３は本発明の一実施形態による熱交換型蒸留装置の全体構成図を示している。本実施形態の熱交換型蒸留装置は、濃縮塔１と、濃縮塔１から見て上方に配置された回収塔２とを有している。濃縮塔１は、塔底部１ａと、棚段塔部（或いは充填塔部）１ｂと、塔頂部１ｃとから構成されている。回収塔２もまた、塔底部２ａと、棚段塔部（或いは充填塔部）２ｂと、塔頂部２ｃとから構成されている。

【0039】

棚段塔部１ｂ，２ｂは塔内に水平な棚板（トレイ）をいくつも設置したタイプの塔である。それぞれの棚板間の空間を段という。各段では気液接触が促進され物質移動が行われる結果、より揮発性の高い成分に富むことになった気相は上の段に送られ、より揮発性の低い成分に富むことになった液相は下の段へ流れ落ち、そこでまた新たな液相、或いは気相と気液接触を行い物質移動が行われる。このようにして塔の上部の段ほど揮発性の高い成分に富み、下部の段ほど揮発性の低い成分に富むことになり、蒸留操作が行われる。

【0040】

棚段塔部に置換可能な充填塔部は中空の塔内に何らかの充填物を入れ、その表面で気液接触を行わせるタイプの塔である。棚段塔部と同じ機構により塔の上部ほど揮発性の高い成分に富み、下部ほど揮発性の低い成分に富むことになり、蒸留操作が行われる。なお、図３では棚段塔部１ｂ，２ｂ（或いは充填塔部）の内部が空白に描かれているが、実際は上記のような構造が採られている。

【0041】

図２の蒸留装置と異なる構成としては、回収塔２の塔底部２ａと濃縮塔１の塔頂部１ｃは横並びの位置に形成されている。具体的には、一つの塔内部における長さ方向中間部に断熱を施した仕切り壁４１が設置され、これにより、回収塔２と濃縮塔１が重力方向に構成される。さらに、壁４１は、回収塔２の塔底部２ａと濃縮塔１の塔頂部１ｃが同じ塔高さの位置に配置されるように一つの塔内部を仕切っている。

【0042】

さらに濃縮塔１および回収塔２の各々について個別に詳述する。まずは、回収塔２を説明する。

【0043】

回収塔２の塔底部２ａの外側には、リボイラーと呼ばれる加熱器３が配設されており、配管２１が塔底部２ａの空間下部から加熱器３を介して塔底部２ａの空間上部へ設けられている。したがって、回収塔２の棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）を流下した液は塔底部２ａに溜まり、この液の一部は加熱器３で加熱されて蒸気になって塔底部２ａに戻る。また、塔底部２ａの最底から、揮発性の低い成分に富んだ缶出液が配管２２を通して得られる。

【0044】

回収塔２の塔頂部２ｃは原料を供給する位置となっている。塔頂部２ｃはコンプレッサー４を介して濃縮塔１の塔底部１ａに、配管２３を用いて接続されている。本実施形態では原料供給位置を回収塔２の塔頂部２ｃとしたが、原料供給位置は棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）の任意の段であってもよい。また、原料が複数存在する場合でも、原料供給位置は回収塔２の塔頂部２ｃと、それ以外の任意の段（濃縮塔１の段も含む）とすることも可能である。

【0045】

加えて、回収塔２の棚段塔部２ｂ（或いは充填塔部）は所定の段に液抜き部２ｄを有している。液抜き部２ｄは、図４に示すように、回収塔２の上部から流下してきた液１０を液溜め用棚板５に溜め、液１０の一部を回収塔２の外部へ抜き出す。液抜き部２ｄには、液１０の一部を濃縮塔１へ向かわせる配管２４が接続されている。また、液抜き部２ｄの直ぐ下の段には、濃縮塔１側からの配管２５が回収塔２の外壁を貫通して挿入されている。液抜き部２ｄの直ぐ下の段に挿入された配管２５からは、後述するように蒸気１１と液１２が混ざった流体が導入され、蒸気１１は上昇し、液１２は下へ落ちる。

【0046】

さらに濃縮塔１を説明する。

【0047】

濃縮塔１の塔底部１ａの最底には配管２６の一端が接続されており、この配管２６の他端は、回収塔２の塔頂部２ｃへ原料を供給する配管２７と接続されている。濃縮塔１の塔底部１ａに溜まった液を、濃縮塔１よりも高い位置に位置する回収塔２の塔頂部２ｃに還流するため、配管２６の途中には送出ポンプ６が必要となる。

【0048】

濃縮塔１の塔頂部１ｃの外側には、コンデンサーと呼ばれる凝縮器７が配設されており、配管２８が塔頂部１ｃの空間上部から凝縮器７へ設けられている。したがって、濃縮塔１の塔頂部１ｃに移動してきた蒸気は凝縮器７で冷却されて液体になり、揮発性の高い成分に富んだ留出液が得られる。また、その液体の一部は必要に応じて塔頂部１ｃに還流される。

【0049】

加えて、濃縮塔１の棚段塔部１ｂ（或いは充填塔部）には所定の段にチューブバンドル型熱交換器８が差し込まれている。チューブバンドル型熱交換器８のＵ形チューブにおける平行なチューブ部分は、凝縮した液を一度溜め、また上昇蒸気を整流するための液溜め用トレイ９に沿って配されている。該平行なチューブ部分のうち下側のチューブ部分８ａは、回収塔２の液抜き部２ｄに接続された配管２４と繋がっている。そして上側のチューブ部分８ｂは、液抜き部２ｄの直ぐ下の段に挿入されている配管２５と繋がっている。

【0050】

ここで、チューブバンドル型熱交換器８の作用について説明する。

【0051】

本装置では回収塔２の塔頂部２ｃから出た蒸気はコンプレッサー４にて昇圧および昇温されて濃縮塔１の塔底部１ａに供給される。この昇温された蒸気１３（図５参照）は棚段塔部１ｂに導入されて上昇し、チューブバンドル型熱交換器８のＵチューブと接触する。このとき、熱交換器８の下側のチューブ部分８ａには回収塔２の任意の段における液が配管２４により導入されているため、このチューブ部分８ａ内の液が蒸気１３の熱で加熱されるとともに、チューブ部分８ａに接触した蒸気１３の一部は液１４となって下へと落ちる。さらに、熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂも蒸気１３の熱で加熱されているので、配管２４から熱交換器８内に導入された液体は下側のチューブ部分８ａから上側のチューブ部分８ｂを移動するにつれて、液相と気相が混ざった流体に変わる。そして、この流体は塔外の配管２５を通って回収塔２の液抜き部２ｄの直ぐ下の段に導入される（図３参照）。このような流体の循環においては、本構成がサーモサイフォン方式となっているため、ポンプなどの圧送手段を特に必要としない。

【0052】

つまり、回収塔２の液抜き部２ｄから濃縮塔１の熱交換器８の下側のチューブ部分８ａまでを配管２４で接続し、さらには、濃縮塔１の熱交換器８の上側のチューブ部分８ｂから回収塔２の液抜き部２ｄの直ぐ下の段までを配管２５で接続しているため、回収塔２から濃縮塔１へ重力により液体が流れ、これによって上記の流体はポンプが無くても濃縮塔１から回収塔２へ押し流される。

【0053】

以上のように本実施形態では、熱交換器８によって濃縮塔１内の蒸気の熱を奪い、この熱を配管２５によって濃縮塔１から回収塔２へ移動させることができる。本実施形態のように配管２４，２５および熱交換器８を用いた熱移動システムは、あたかも、濃縮塔１の任意の段にサイドコンデンサーが設置されると共に、回収塔２の任意の段にサイドリボイラーが設置されているかのような構成である。したがって、上記熱移動システムを備えない蒸留装置と比べて、濃縮塔１のコンデンサー７の除熱量が小さくでき、回収塔２のリボイラー３の入熱量も小さくでき、結果、エネルギー効率の極めて高い蒸留装置を提供することができる。

【0054】

なお、図１では上記熱移動システムが１セットだけ示されているが、例えば全理論段数の１０〜３０％に相当するセット数の熱移動システムを設置することができる。勿論、熱移動システムの設置数、熱交換器や配管の配置位置は設計に応じて任意に決められている。

【0055】

また本発明では、例えば図３に示すように、一つの塔を濃縮塔１と回収塔２に分断している仕切り壁４１は、回収塔２の塔底部２ａの空間と濃縮塔１の塔頂部１ｃの空間が同じ塔高さの位置に配置されるように塔内部を仕切っている。これにより、濃縮塔１と回収塔２を合わせた重力方向長さが図２の蒸留装置よりも短くなる。さらに、上述した壁４１での仕切り方によって、濃縮塔１の塔頂部１ｃにおける横方向断面積がその塔頂部１ｃ以外の部位の横方向断面積よりも狭くされ、かつ、回収塔２の塔底部２ａにおける横方向断面積がその塔底部２ａ以外の部位の横方向断面積よりも狭くされている。そのため、濃縮塔１および回収塔２の塔内空間が、内部を上昇する蒸気量及び下降する液量に適した無駄の無い大きさになっている。以上の事から、図２の蒸留装置よりも、装置作製のための資材が減り、製造コストを低減することができる。

【0056】

さらに、回収塔２の塔底部２ａの空間と濃縮塔１の塔頂部１ｃの空間が同じ塔高さの位置に配置されたことにより、図２の蒸留装置と比べて、回収塔２からの液抜き出し位置Ｘと濃縮塔１の熱交換器設置位置Ｙの間の距離（高さ）が短くなって、配管２４，２５の鉛直方向に延びる部分も短くなる。この結果、サーモサイフォン効果による流体循環を行うために熱交換器８の供給側（塔外の配管２４）で必要となる液ヘッドも小さくなる。この液ヘッドの減少分、熱交換器８のチューブにかかる圧力が減るので、該チューブにおける沸点上昇も低く抑えられ、その分、熱交換器８におけるチューブ内側とチューブ外側（シェル）との温度差を大きくとりやすくなる。これにより、濃縮塔１の圧力をより小さくすること、すなわちコンプレッサー４の圧縮比を低減することが可能となり、省エネルギー性を向上させることが出来る。

【0057】

また、以上に例示された本発明の熱交換型蒸留装置は、普通の蒸留装置と同じような棚段塔部或いは充填塔部を用いて構成されているため、サイドカットやマルチフィードの実施において装置を特別に改良することなく対応することが可能で、また装置のメンテナンスも容易に可能である。また同様の理由から、濃縮塔や回収塔の段数の設定には自由度があるため、原料供給段の最適化も行うことが可能となる。すなわち、特許文献１に代表される二重管構造を用いた熱交換型蒸留装置の課題として挙げた前記１）〜５）が本発明によって解決される。

【0058】

さらに上記実施形態では、濃縮塔１から回収塔２へ熱移動を行わせる熱移動システムの構成要素としてチューブバンドル型熱交換器８を用いるため、この熱交換器８のチューブ設計によって伝熱面積Ａが自由に変えられる。したがって、濃縮塔１と回収塔２の間での熱交換量の決定に関して、濃縮塔１と回収塔２の間の温度差ΔＴだけでなく、伝熱面積Ａも設計上の自由度とすることが出来る。この
事により、前記二重管構造を用いた熱交換型蒸留装置の課題６）が本発明によって解決されている。

【0059】

以上のように本発明の好ましい実施形態について幾つかの実施形態を例示して説明したが、本願発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能であることは言うまでもない。

【0060】

上記の実施形態では、濃縮塔１と回収塔２が鉛直方向上下に連結された形態を示したが、本発明はこの形態にも限定されない。すなわち本発明は、濃縮塔１と回収塔２が別個独立の構成で、回収塔２の塔底部２ａと濃縮塔１の塔頂部１ｃが同じ塔高さの位置（横並びの位置）に配置された形態を含むものである。

【符号の説明】

【0061】

１ 濃縮塔
１ａ 塔底部
１ｂ 棚段塔部（或いは充填塔部）
１ｃ 塔頂部
２ 回収塔
２ａ 塔底部
２ｂ 棚段塔部（或いは充填塔部）
２ｃ 塔頂部
２ｄ 液抜き部
２ｅ 液溜め部
３ 加熱器（リボイラー）
４ コンプレッサー
５ 棚板
６ 圧送手段
７ 凝縮器（コンデンサー）
８ チューブバンドル型熱交換器
５、１５ 液溜め用棚板
９ 液溜め用トレイ
１０、１２、１４ 液
１１、１３、１８ 蒸気（ベーパー）
１６ 仕切板
１７ 制御弁
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１ 配管
４１ 仕切り壁
Ｘ 回収塔からの液抜き出し位置
Ｙ 濃縮塔の熱交換器設置位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】