特許 6612961 蒸留装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6612961

(24)【登録日】2019年11月8日

(45)【発行日】2019年11月27日

(54)【発明の名称】蒸留装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 3/42 20060101AFI20191118BHJP

   C07B 63/00 20060101ALI20191118BHJP

   C07C 31/04 20060101ALI20191118BHJP

【ＦＩ】

   B01D3/42

   C07B63/00 A

   C07C31/04

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-238703(P2018-238703)

(22)【出願日】2018年12月20日

【審査請求日】2019年7月29日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】390036663

【氏名又は名称】木村化工機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100092071

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 均

(74)【代理人】

【識別番号】100130638

【弁理士】

【氏名又は名称】野末 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】重 洋一

(72)【発明者】

【氏名】池田 博史

【審査官】 小川 慶子

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６０−１６８５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５２２０４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ３／００−３／４２

Ｃ０７Ｂ ６３／００

Ｃ０７Ｃ ３１／０４

Ｃ０２Ｆ １／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高沸点成分と、前記高沸点成分より高濃度の低沸点成分とを含有する液の蒸留を行い、前記低沸点成分を主成分とする第２塔頂ベーパと、前記低沸点成分よりも前記高沸点成分を高い割合で含有する第２塔底液に分離する第２蒸留塔と、
前記高沸点成分と、前記高沸点成分より高濃度の前記低沸点成分とを含有する原料液と、前記第２塔底液との混合液を循環させて加熱・蒸発させ、前記第２蒸留塔の塔底に供給する第２リボイラと、
前記第２蒸留塔の塔頂から取り出される前記低沸点成分を主成分とする前記第２塔頂ベーパを、塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して、前記低沸点成分を主成分とする凝縮液を留出液として回収するための塔頂コンデンサと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第２リボイラに第２リボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプと、
前記第２塔底液の蒸留を行う第１蒸留塔であって、塔頂に供給される前記第２塔底液を蒸留して、塔頂から取り出される第１塔頂ベーパと、塔底から取り出される第１塔底液とに分離し、かつ、前記第１塔頂ベーパが前記第２蒸留塔の塔底に供給されるように構成された第１蒸留塔と、
前記第１塔底液を循環させて加熱・蒸発させ、前記第１蒸留塔の塔底に供給する第１リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、前記第２ヒートポンプに送られた一部を除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第１リボイラに第１リボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプと、
前記第２ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第２リボイラに供給される前記第２リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１５℃以上４０℃以下の範囲で高く、かつ、前記第１ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第１リボイラに供給される前記第１リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で高いという条件が満たされる操作圧となるように、前記塔頂コンデンサを経て真空吸引し、系内を減圧にする真空ポンプと
を備え、
前記第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、前記第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．０以上大きくなるように構成されていること
を特徴とする蒸留装置。

【請求項2】

前記第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、前記第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．５以上大きくなるように構成されていること
を特徴とする請求項１記載の蒸留装置。

【請求項3】

前記第２ヒートポンプとして、ＣＯＰの値が５．０以上８．０以下のヒートポンプが用いられるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸留装置。

【請求項4】

前記第１蒸留塔の塔径が、前記第２蒸留塔の塔径よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の蒸留装置。

【請求項5】

前記低沸点成分が有機溶剤であり、前記高沸点成分が水であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の蒸留装置。

【請求項6】

前記低沸点成分と前記高沸点成分が、いずれも有機溶剤であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の蒸留装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒートポンプを用いた蒸留装置に関し、詳しくは、低沸点成分を高沸点成分よりも高濃度で含有する原料液を蒸留して、低沸点成分と高沸点成分とを分離するのに用いられる蒸留装置に関する。

【背景技術】

【0002】

蒸留装置における省エネルギー化の必要性は近年、益々増大しており、種々の提案が行われている。

【0003】

そのような省エネルギー技術の１つとして、蒸留装置にヒートポンプを組み込んで、熱効率を向上させるようにした蒸留装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

【0004】

特許文献１の蒸留装置は、蒸留塔と、蒸留コンデンサと、蒸留リボイラと、蒸留コンデンサから流出した第一出力流体を蒸留塔に戻すための還流用の配管とを備える蒸留装置である。

【0005】

そして、この蒸留装置は、作動媒体（水）が蒸留コンデンサで受け取った熱を蒸留リボイラに与えるためのヒートポンプを備えている。ヒートポンプは、蒸留コンデンサと蒸留リボイラを接続するとともに作動媒体が循環する循環流路と、蒸留コンデンサで蒸発した後の作動媒体を圧縮する圧縮機と、蒸留リボイラで熱を与えた後の作動媒体を減圧（膨張）させる減圧弁とを備えた構成とされている。

【0006】

そして、この蒸留装置によれば、蒸留塔の頂部から流出した第一出力流体の有する熱エネルギーが、ヒートポンプによって蒸留リボイラにおいて有効に回収され、第一出力流体の熱エネルギーの有効利用により、蒸留リボイラにおける第二出力流体の加熱に必要な熱エネルギーの削減を図ることが可能になるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特公平０６−００９６４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、蒸留装置における省エネルギー化を図る方法の一つとして、上述のようにヒートポンプを利用する方法は、極めて有効な方法の一つであると考えられる。

【0009】

しかしながら、蒸留塔の塔頂ベーパを冷却するためのコンデンサの冷却水から熱を回収し、加熱源としてリボイラに供給しようとすると、ヒートポンプとして高圧縮のタイプのものを用いることが必要となる。その結果、ヒートポンプの成績効率（ＣＯＰ）は小さくなり、省エネルギー効果も小さくなるという問題点がある。

【0010】

本発明は、上記課題を解決するものであり、蒸留装置にヒートポンプを用いて省エネルギーを図るとともに、ヒートポンプに消費されるエネルギーを抑制して、さらなる省エネルギー効果を得ることが可能な蒸留装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するため、本発明の蒸留装置は、
高沸点成分と、前記高沸点成分より高濃度の低沸点成分とを含有する液の蒸留を行い、前記低沸点成分を主成分とする第２塔頂ベーパと、前記低沸点成分よりも前記高沸点成分を高い割合で含有する第２塔底液に分離する第２蒸留塔と、
前記高沸点成分と、前記高沸点成分より高濃度の前記低沸点成分とを含有する原料液と、前記第２塔底液との混合液を循環させて加熱・蒸発させ、前記第２蒸留塔の塔底に供給する第２リボイラと、
前記第２蒸留塔の塔頂から取り出される前記低沸点成分を主成分とする前記第２塔頂ベーパを、塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して、前記低沸点成分を主成分とする凝縮液を留出液として回収するための塔頂コンデンサと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第２リボイラに第２リボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプと、
前記第２塔底液の蒸留を行う第１蒸留塔であって、塔頂に供給される前記第２塔底液を蒸留して、塔頂から取り出される第１塔頂ベーパと、塔底から取り出される第１塔底液とに分離し、かつ、前記第１塔頂ベーパが前記第２蒸留塔の塔底に供給されるように構成された第１蒸留塔と、
前記第１塔底液を循環させて加熱・蒸発させ、前記第１蒸留塔の塔底に供給する第１リボイラと、
前記塔頂コンデンサにおいて前記第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、前記第２ヒートポンプに送られた一部を除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて前記第１リボイラに第１リボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプと、
前記第２ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第２リボイラに供給される前記第２リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１５℃以上４０℃以下の範囲で高く、かつ、前記第１ヒートポンプで温度レベルを上げて前記第１リボイラに供給される前記第１リボイラ用高温水の温度が、前記塔頂コンデンサにおいて前記第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した前記塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で高いという条件が満たされる操作圧となるように、前記塔頂コンデンサを経て真空吸引し、系内を減圧にする真空ポンプと
を備え、
前記第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、前記第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．０以上大きくなるように構成されていること
を特徴としている。

【0012】

本発明においては、前記第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、前記第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．５以上大きくなるように構成されていることが好ましい。

【0013】

前記第２ヒートポンプとして、ＣＯＰの値が５．０以上８．０以下のヒートポンプが用いられるように構成されていることが好ましい。

【0014】

また、前記第１蒸留塔の塔径が、前記第２蒸留塔の塔径よりも小さくなるように構成されていることが好ましい。

【0015】

また、本発明は、前記低沸点成分が有機溶剤であり、前記高沸点成分が水である場合に好適に用いることができる。

【0016】

また、本発明は、前記低沸点成分と前記高沸点成分が、いずれも有機溶剤である場合にも好適に用いることができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明の蒸留装置は、上述のような構成を備えており、真空ポンプにより塔頂コンデンサを経て真空吸引し、系内を減圧にすることにより、第２ヒートポンプで温度レベルを上げて第２リボイラに供給される第２リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサにおいて第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１５℃以上４０℃以下の範囲で高く、かつ、第１ヒートポンプで温度レベルを上げて第１リボイラに供給される第１リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサにおいて第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で高いという条件が満たされるように構成されているので、第２ヒートポンプのＣＯＰ（成績効率）の値が、第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．０以上大きくなるようにして、省エネルギー性に優れた、エネルギー効率の高い蒸留装置を実現することができる。

【0018】

詳しく説明すると、例えば、従来広く用いられている、単一の蒸留塔を備えたヒートポンプ式蒸留設備において、塔頂ベーパを冷却するための塔頂コンデンサの冷却水の熱をヒートポンプにおいて回収し、回収した熱量をリボイラに供給するようにした場合、塔頂ベーパと塔底液の温度差が大きくなるので、ヒートポンプにおける温度レベルの上昇幅を大きくすることが必要で、ヒートポンプにかかる負荷が大きくなるため、ヒートポンプのＣＯＰ（成績効率＝加熱・冷却能力（ｋＷ）／消費電力（ｋＷ））の値を十分に大きくすることは困難で、通常はＣＯＰが３程度になることが多い。

【0019】

これに対して、本発明では、蒸留塔を第１蒸留塔と第２蒸留塔の２つの蒸留塔に分け、第１蒸留塔は第１リボイラを備え、第２蒸留塔は第２リボイラを備えた構成とするとともに、塔頂コンデンサの冷却水の熱を、第１リボイラ用の第１ヒートポンプと、第２リボイラ用の第２ヒートポンプの２種類のヒートポンプとに振り分け、各ヒートポンプで汲み上げた熱を、第１蒸留塔用の第１リボイラと、第２蒸留塔用の第２リボイラとに供給するようにしている。

【0020】

ここで、例えば、各ヒートポンプで汲み上げた熱を第１リボイラと第２リボイラで５０％ずつ供給するようにした場合、第１リボイラ用の第１ヒートポンプのＣＯＰは３程度のままとなるが、本発明の蒸留装置のように、蒸留塔を第１蒸留塔と第２蒸留塔の２つの蒸留塔に分け、第１蒸留塔は第１リボイラを備え、第２蒸留塔は第２リボイラを備えた構成とした場合、第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、第１ヒートポンプのＣＯＰの値より高い値となるように構成することが可能になり、本発明では、第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．０以上大きくなるように構成している。
そして、このように構成した場合、第１ヒートポンプのＣＯＰを３、第２ヒートポンプのＣＯＰを４（＝３＋１）とすると、第１ヒートポンプと第２ヒートポンプの２つのヒートポンプのトータルのＣＯＰは（３＋４）/２=３．５となり、上述の従来技術の場合のＣＯＰ３に対して、約１．１７倍の効率を得ることができる。

【0021】

なお、例えば、第１ヒートポンプおよび第２ヒートポンプで汲み上げた熱を第１リボイラと第２リボイラで５０％ずつ供給するようにした場合、第１リボイラ用の第１ヒートポンプのＣＯＰは３程度のままとなるが、供給液を加熱するための第２リボイラ用の第２ヒートポンプについては、実際に、ＣＯＰを５．０以上８．０以下の高い値とすることが可能になる。

【0022】

そして、第２ヒートポンプのＣＯＰを８とした場合、第１ヒートポンプと第２ヒートポンプの２つのヒートポンプのトータルのＣＯＰは（３＋８）/２＝５.５となり、上述の従来技術の場合のＣＯＰ３に対して１．８３倍の効率を得ることが可能になる。

【0023】

なお、第２ヒートポンプのＣＯＰを５とした場合にも、第１ヒートポンプと第２ヒートポンプの２つのヒートポンプのトータルのＣＯＰは（３＋５）/２=４.０となり、上述の従来技術の場合のＣＯＰ３に対して１．３３倍の効率を得ることができる。

【0024】

なお、上記の例では、第１ヒートポンプと第２ヒートポンプの２種類のヒートポンプで熱を汲み上げ、第１リボイラに５０％、第２リボイラ（供給液加熱ヒータ）に５０％の熱を供給するようにした場合について説明しているが、本発明の蒸留装置においては、通常、第１リボイラに供給する熱量の２倍あるいはそれ以上の割合の熱量が第２リボイラに供給されることになるので、第２ヒートポンプのＣＯＰの値を、第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．０以上大きくなるように構成することで、十分に有意義な省エネルギー効果を得ることが可能になる。

【0025】

また、本発明においては、第２ヒートポンプのＣＯＰの値が、第１ヒートポンプのＣＯＰの値より１．５以上大きくなるように構成することにより、さらに高い省エネルギー効果を得ることが可能になる。

【0026】

また、本発明においては、第２ヒートポンプとして、ＣＯＰの値が５．０以上８．０以下のヒートポンプを用いることができるように構成した場合、第２ヒートポンプのＣＯＰの値を第１ヒートポンプのＣＯＰの値よりも十分に大きくしやすくなるため、第１および第２の２つのヒートポンプの全体のＣＯＰを大きくすることが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。

【0027】

また、本発明の蒸留装置は、第１蒸留塔と第２蒸留塔を備えており、第２蒸留塔には、原料液と第２蒸留塔の塔底液との混合液を加熱して蒸発させたベーパと、第１蒸留塔の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）とが供給されるのに対して、第１蒸留塔には、第２蒸留塔の塔底液（第２塔底液）のみがその塔頂から供給され、流下した第１蒸留塔の塔底液（第１塔底液）が第１リボイラで加熱されて蒸発したベーパのみが第１蒸留塔に供給されることになるため、第１蒸留塔のベーパの流量は、第２蒸留塔のベーパの流量よりも大幅に少なくなる。その結果、第１蒸留塔の塔径を第２蒸留塔の塔径よりも小さくすることが可能になる。

【0028】

具体的には、第１蒸留塔の塔径を第２蒸留塔の塔径の、例えば１／３〜２／３にまで小さくすることが可能になり、装置全体の小型化、コストの削減を図ることが可能になる。

【0029】

また、第２ヒートポンプで温度レベルを上げて第２リボイラに供給される第２リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサにおいて第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１５℃以上４０℃以下の範囲で高く、また、第１リボイラに供給される第１リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサにおいて第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で高くなるように構成した場合、第２ヒートポンプのＣＯＰの値を第１のヒートパイプのＣＯＰの値よりも十分に大きくすることが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。

【0030】

また、本発明は、低沸点成分が有機溶剤であり、高沸点成分が水である系に適用した場合に、省エネルギー効率の良好な蒸留装置を実現することができる。

【0031】

また、本発明は、低沸点成分と高沸点成分が、いずれも有機溶剤である系にも適用することが可能であり、その場合にも省エネルギー効率の良好な蒸留装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明の一実施形態にかかる蒸留装置の構成を示すフローシートである。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

【0034】

なお、本実施形態では、低沸点成分であるメタノールを７０ｗｔ％の割合で含み、残部（３０ｗｔ％）が水（高沸点成分）である原料液（被処理液）を蒸留してメタノールを分離、回収するための蒸留装置を例にとって説明する。

【0035】

本実施形態にかかる蒸留装置１００は、ヒートポンプを用いて省エネルギー性の向上を図った蒸留装置である。

【0036】

図１に示すように、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、水（高沸点成分）と、メタノール（低沸点成分）を含有する液の蒸留を行い、低沸点成分を主成分とする塔頂ベーパ（第２塔頂ベーパ）（メタノール９９．５ｗｔ％）と、低沸点成分よりも高沸点成分を高い割合で含有する塔底液（第２塔底液）（メタノール２８ｗｔ％）に分離する第２蒸留塔２を備えているとともに、水（３０ｗｔ％）と、メタノール（７０ｗｔ％）とを含有する原料液と、第２蒸留塔２の塔底液（第２塔底液）との混合液を循環させて加熱・蒸発させ、第２蒸留塔２の塔底に供給するように構成された第２リボイラ１２を備えている。

【0037】

また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第２蒸留塔２の塔頂から取り出されるメタノールを主成分とする第２塔頂ベーパを、塔頂コンデンサ用循環冷却水により冷却して、メタノールを主成分とする凝縮液（メタノール９９．５ｗｔ％）を留出液として回収するための塔頂コンデンサ２１を備えている。なお、塔頂コンデンサ２１としては、円筒多管式熱交換器が用いられている。

【0038】

なお、塔頂コンデンサ２１には、真空ポンプ３１により系内を真空に吸引するための吸引ライン３２が接続されている。なお、真空ポンプ３１としては、水封式の真空ポンプが用いられている。

【0039】

また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、塔頂コンデンサ２１において第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて第２リボイラ１２に第２リボイラ用高温水として供給するように構成された第２ヒートポンプＨＰ２を備えている。

【0040】

また、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、第２蒸留塔２の塔底液（第２塔底液）の蒸留を行う第１蒸留塔１と、第１蒸留塔１の塔底液（第１塔底液）を循環させることにより加熱・蒸発させて、発生した蒸気を第１蒸留塔１の塔底に供給するように構成された第１リボイラ１１とを備えている。

【0041】

第１蒸留塔１の塔頂ベーパ（第１塔頂ベーパ）は第２蒸留塔２の塔底に供給されるように構成されている。

【0042】

さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、塔頂コンデンサ２１において第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水のうち、第２ヒートポンプＨＰ２に送られた一部を除いた残部から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて第１リボイラ１１に第１リボイラ用高温水として供給するように構成された第１ヒートポンプＨＰ１を備えている。
以下、図１を参照しつつ、本実施形態にかかる蒸留装置１００についてさらに詳しく説明する。

【0043】

本発明の蒸留装置１００が備える第２蒸留塔２は、上述のように、メタノール水溶液の蒸留を行う蒸留塔であって、例えば、棚段塔、充填塔など種々の構成のものを用いることが可能である。なお、本実施形態では規則充填塔が用いられている。

【0044】

また、第２リボイラ１２は、第２蒸留塔２の塔底液と、第２リボイラ１２の塔底液と、予熱器４１を通過して昇温した原料液（供給液）との混合液を加熱して蒸発させるものであり、本実施形態では、第２リボイラ１２として、液膜降下式の間接型熱交換器が用いられている。ただし、他の型式の熱交換器を用いることも可能である。
また、予熱器４１としては、プレート式熱交換器が用いられている。

【0045】

この第２リボイラ１２は、第２ヒートポンプＨＰ２からの６６℃の高温水が加熱源として用いられる間接型熱交換器であって、第２リボイラ１２において加熱され、発生したベーパは、上述したように、第２蒸留塔２の塔底に供給される。

【0046】

なお、第２蒸留塔２の塔底液は、第２循環ポンプ４２を経て、第２リボイラ１２の塔頂に供給される。そして、予熱器４１を通過して昇温した上述の原料液（供給液）は、第２循環ポンプ４２の下流側で、第２蒸留塔２の塔底液と合流して第２リボイラ１２の塔頂に供給されるように構成されている。

【0047】

第２蒸留塔２では、第２リボイラ１２で発生したベーパと、塔頂コンデンサ２１で凝縮した凝縮液の一部である還流液とが気液接触することで、メタノールの蒸留が行われる。

【0048】

そして、塔頂ベーパはメタノールを高濃度（９９．５ｗｔ％）で含有しており、塔頂コンデンサ２１で冷却されることにより凝縮し、一部が還流液として、第２蒸留塔の塔頂に戻され、他の一部がメタノール９９．５ｗｔ％の留出液として回収される。

【0049】

なお、第２蒸留塔２への還流は、塔頂コンデンサ２１における凝縮液の一部を、貫流ポンプ３９、還流ライン４０を経て、第２蒸留塔２の塔頂に戻すことにより行われる。

【0050】

また、第２蒸留塔２の塔底液はメタノールを２８ｗｔ％の割合で含有している。この第２蒸留塔２の塔底液は、移送ポンプ４３を経て第１蒸留塔１の塔頂に供給される。

【0051】

第１蒸留塔１を流下した塔底液（第１塔底液）は、第１循環ポンプ４４を経て第１リボイラ１１の塔頂に送られ、第１リボイラ１１で再加熱され、発生したベーパは第１蒸留塔１の塔底に戻され、蒸留に供される。

【0052】

第１蒸留塔１としては、例えば、棚段塔、充填塔など種々の構成のものを用いることが可能である。本実施形態では規則充填塔が用いられている。

【0053】

なお、第１リボイラ１１は、第１塔底液と、第１リボイラ１１の塔底液との混合液を再加熱して蒸発させるように構成されており、第１リボイラ１１で再加熱され、発生したベーパは第１蒸留塔１の塔底に戻される。

【0054】

さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００が備える第２ヒートポンプＨＰ２は、塔頂コンデンサ２１で第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水（本実施形態では３９℃）から熱回収を行うとともに、回収した熱を電力により温度レベルを上げて第２リボイラ１２に高温水（本実施形態では６６℃）として供給することができるように構成されている。

【0055】

すなわち、本発明にかかる蒸留装置１００において、第２ヒートポンプＨＰ２は、塔頂コンデンサ２１で用いられた３９℃の塔頂コンデンサ用循環冷却水から熱を回収し、電力により温度レベルを上昇させ、６６℃の高温水として第２リボイラ１２に供給することで熱エネルギーを循環再利用するものである。

【0056】

なお、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、塔頂コンデンサ２１で第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水側（冷水側）と、電力により熱エネルギーレベルを上げて第２リボイラ１２に供給される高温水側（温水側）との温度差を、従来用いられているヒートポンプの場合よりも小さくすることで、高ＣＯＰで熱回収を行うことができるようにしたことを特徴としている。

【0057】

具体的には、塔頂コンデンサ２１で第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した温度３９℃の塔頂コンデンサ用循環冷却水が、供給ライン３３を経て第２ヒートポンプＨＰ２に送られ、第２ヒートポンプＨＰ２において熱回収され、電力により温度レベルが６６℃に上げられて、高温水側循環水（高温水）として、第２温水循環ポンプ３４、第２温水供給ライン３５を経て、第２リボイラ１２に供給され、第２リボイラ１２の熱源として用いられるように構成されている。

【0058】

また、塔頂コンデンサ用循環冷却水の供給ライン３３には、塔頂コンデンサ２１で用いられた塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部を冷却塔５１に導いて冷却するためのライン５２が接続されている。

【0059】

また、第２ヒートポンプＨＰ２において熱回収され、温度が３４℃に低下した塔頂コンデンサ用循環冷却水は、第２冷却水循環ポンプ３６、第２冷却水供給ライン３７を経て、塔頂コンデンサ２１に循環供給されるように構成されている。

【0060】

また、第２冷却水供給ライン３７には、冷却塔５１で冷却された塔頂コンデンサ用循環冷却水を、冷却水循環ポンプ５３を経て塔頂コンデンサ２１に戻すためのライン５４が接続されている。

【0061】

一方、第２ヒートポンプＨＰ２において、電力により温度レベルが６６℃に上げられた後、第２リボイラ１２において熱源として用いられることで温度が６１℃に低下した高温水側循環水は、循環ライン３８を経て、第２ヒートポンプＨＰ２に戻されて、温度レベルが６６℃に上げられた後、再び第２リボイラ１２に供給されるように構成されている。

【0062】

さらに、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、塔頂コンデンサ２１で第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した温度３９℃の塔頂コンデンサ用循環冷却水の一部（第２ヒートポンプに供給された塔頂コンデンサ用循環冷却水を除いた塔頂コンデンサ用循環冷却水）は、供給ライン４５を経て第１ヒートポンプＨＰ１に送られて熱回収される。そして、熱回収が行われて温度が３４℃に低下した塔頂コンデンサ用循環冷却水は、第１冷水循環ポンプ４６、循環ライン４７を経て、塔頂コンデンサ２１に循環供給されるように構成されている。

【0063】

また、第１ヒートポンプＨＰ１において、温度３９℃の塔頂コンデンサ用循環冷却水から回収された熱は、電力により温度レベルが８５℃に上げられ、高温水側循環水（高温水）として、循環ライン４８を経て第１リボイラ１１に供給され、第１リボイラ１１の熱源として用いられるように構成されている。

【0064】

一方、第１ヒートポンプＨＰ１において、電力により温度レベルが８５℃に上げられた後、第１リボイラ１１において熱源として用いられることで温度が８０℃に低下した高温水側循環水は、第１温水循環ポンプ４９、循環ライン５０を経て、第１ヒートポンプＨＰ１に戻され、温度レベルが８５℃に上げられた後、再び第１リボイラ１１に供給されるように構成されている。

【0065】

本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第２ヒートポンプＨＰ２として、１０台の小型汎用品のヒートポンプが用いられている。
なお、本実施形態では、１０台のヒートポンプの合計の動力が５２３ｋＷとなるように構成されている。

【0066】

また、第１ヒートポンプＨＰ１として、３台の小型汎用品のヒートポンプが用いられているとともに、１台の予備のヒートポンプが備えられている。
そして、３台のヒートポンプの合計の動力が２１６ｋＷとなるように構成されている。

【0067】

そして、第２ヒートポンプＨＰ２、および、第１ヒートポンプＨＰ１は、いずれも予備機を含む台数制御およびインバータ制御によって能力調整が行われるように構成されている。

【0068】

また、第２ヒートポンプＨＰ２、および、第１ヒートポンプＨＰ１は、いずれも１台の予備のヒートポンプが備えられているため、不測の故障に対する操業の安定性が確保され、また、運転中のメンテナンスが可能になる。

【0069】

また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第２リボイラ１２および第１リボイラ１１の熱源として、第２ヒートポンプＨＰ２および第１ヒートポンプＨＰ１で温度レベルを上昇させた高温水（６６℃（第２リボイラ）、８５℃（第１リボイラ））を用いるようにしていることから、上記温度の高温水で第２リボイラ１２および第１リボイラ１１を稼働させることができるように、真空操作を行うことにより、第２蒸留塔２および第１蒸留塔１の塔底液の沸点の調整を行っている。

【0070】

そして、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰ（成績効率）の値が、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰの値より１．０以上大きくなるように構成されている。

【0071】

なお、具体的には、本実施形態では、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰ（成績効率）の値が６．５で、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰの値が３．７であり、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰの値が、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰの値より２．８大きくなるように構成されている。

【0072】

本実施形態にかかる蒸留装置１００は上述のように構成されているので、省エネルギー性に優れた、エネルギー効率の高い蒸留装置を実現することができる。

【0073】

さらに説明すると、本実施形態にかかる蒸留装置１００は、蒸留塔を第１蒸留塔１と第２蒸留塔２の２つの蒸留塔に分けるとともに、第１蒸留塔１は第１リボイラ１１を備え、第２蒸留塔２は第２リボイラ１２を備えた構成とし、第２蒸留塔２の塔頂ベーパを冷却して凝縮させる塔頂コンデンサ２１の冷却水の熱を、第１リボイラ１１用の第１ヒートポンプＨＰ１と、第２リボイラ１２用の第２ヒートポンプＨＰ２の２種類のヒートポンプに振り分け、各ヒートポンプＨＰ１、ＨＰ２で汲み上げた熱を、第１蒸留塔用の第１リボイラ１１と第２蒸留塔用の第２リボイラ１２のそれぞれに供給するようにしているので、例えば、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰを３．０以上４．０以下とする一方で、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰを５．０以上８．０以下の高い値とすることが可能になり、第１ヒートポンプＨＰ１と第２ヒートポンプＨＰ２の合計の電力消費量を抑えて省エネルギー性に優れた、エネルギー効率の高い蒸留装置を実現することができる。

【0074】

したがって、本願発明の基本的な要件である、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰを第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰよりも、１．０以上大きくするという要件を十分に満たすことが可能になる。

【0075】

すなわち、本実施形態にかかる蒸留装置１００では、第１ヒートポンプＨＰ１で温度レベルを上げて第１リボイラ１１に供給される第１リボイラ用高温水の温度（８５℃）が、塔頂コンデンサ２１において第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度（３９℃）よりも４６℃高くなるように構成されているのに対して、第２ヒートポンプＨＰ２で温度レベルを上げて第２リボイラ１２に供給される第２リボイラ用高温水の温度（６６℃）が、塔頂コンデンサ２１において第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度（３９℃）よりも２７℃高くなるように構成されており、第１ヒートポンプＨＰ１の昇温幅（４６℃）よりも、第２ヒートポンプＨＰ２の昇温幅（２７℃）の方が小さいため、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰの値（５．０以上８．０以下）を、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰの値（３．０以上４．０以下）よりも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率を高くすることが可能になる。

【0076】

なお、本実施形態においては、第２蒸留塔２に入力されるエネルギーは、第２ヒートポンプＨＰ２の動力５２３ｋＷと、第１蒸留塔１の塔頂から第２蒸留塔２の塔底に供給される第１塔頂ベーパの有するエネルギー（＝第１ヒートポンプＨＰ１の動力）２１６ｋＷの合計値７３９ｋＷ（５２３ｋＷ＋２１６ｋＷ＝７３９ｋＷ）となる。

【0077】

一方、第１ヒートポンプＨＰ１に入力されるエネルギーは、第１ヒートポンプＨＰ１の動力２１６ｋＷとなる。

【0078】

したがって、５２３ｋＷと大きな動力で駆動される第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰを６．５とし、２１６ｋＷと第２ヒートポンプＨＰ２に比べて小さな動力の動力で駆動される第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰを３．７とした場合、第１ヒートポンプＨＰ１と第２ヒートポンプＨＰ２の全体としてのＣＯＰを大きくすることが可能になり、十分に高い省エネルギー効果を得ることが可能になる。

【0079】

なお、表１に、
（１）従来の、ヒートポンプを用いずに蒸気を熱エネルギーとして用いた蒸気式の蒸留装置と、
（２）本発明のように蒸留塔を２塔に分けずに１塔式として、蒸留塔の塔頂ベーパからヒートポンプを用いて熱回収を行うようにした蒸留装置（この場合ヒートポンプのＣＯＰは約３．７となる）と、
（３）上記実施形態にかかる蒸留装置１００と、
のそれぞれのエネルギー消費量を示す。

【0080】

ただし、条件は以下の通りである。
原料液供給量：１００００ｋｇ／ｈｒ（メタノール濃度７０ｗｔ％）
回収液 ：７０３５ｋｇ／ｈｒ （メタノール９９．５ｗｔ％）
年間稼働時間：８０００時間
電力１２円／ｋＷ
蒸気：５０００円／１０００ｋｇ

【0081】

【表1】

【0082】

表１に示すように、従来の蒸気式の蒸留装置においては、４２５０ｋＷのエネルギー（蒸気熱量）が必要となる。

【0083】

また、１塔式の蒸留装置においては、ヒートポンプを駆動するのに１１３４ｋＷの動力が必要となる。

【0084】

これに対し、本実施形態にかかる蒸留装置（２塔式で、各蒸留塔のそれぞれにヒートポンプを設けた蒸留装置）１００によれば７３９ｋＷのエネルギー消費量となる。したがって、本発明の蒸留装置によれば、大幅な省エネルギーを実現できることがわかる。

【0085】

また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第２ヒートポンプＨＰ２で温度レベルを上げて第２リボイラ１２に供給される第２リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサ２１において第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも１５℃以上４０℃以下の範囲で高く、第１リボイラ１１に供給される第１リボイラ用高温水の温度が、塔頂コンデンサ２１において第２塔頂ベーパの冷却に用いられ、昇温した塔頂コンデンサ用循環冷却水の温度よりも３０℃以上、６０℃以下の範囲で高くなるように構成することにより、第２ヒートポンプＨＰ２のＣＯＰを、第１ヒートポンプＨＰ１のＣＯＰよりも十分に大きくすることが可能になり、省エネルギー効果の大きい蒸留装置をより確実に実現することができる。

【0086】

また、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第１蒸留塔１の塔径が、第２蒸留塔２の塔径よりも小さくなるように構成されており、具体的には、第１蒸留塔１の塔径が、第２蒸留塔２の塔径の約１／３となるように構成されている。

【0087】

すなわち、本実施形態にかかる蒸留装置１００においては、第２蒸留塔２を通過するベーパ量（塔頂ベーパ量）が１５５９０ｋｇ／ｈｒであるのに対して、第１蒸留塔１を通過するベーパ量（塔頂ベーパ量）が１９６６ｋｇ／ｈと少なくなることから、適正な気液接触を確保しつつ、第１蒸留塔１の塔径を、第２蒸留塔２の塔径の約１／３とすることが可能になり、設備コストの低減を図ることができる。

【0088】

なお、第１蒸留塔１の塔径と、第２蒸留塔２の塔径の関係は、上記実施形態の関係に限定されるものではなく、通常は、第１蒸留塔１の塔径を、第２蒸留塔２の塔径の１／３〜２／３の範囲で小さくすることができる。ただし、上記の範囲を超えた値とすることも可能である。

【0089】

また、上記実施形態では、第１蒸留塔１と第２蒸留塔２を、それぞれ独立した別の塔として構成しているが、第１蒸留塔と第２蒸留塔を１つの塔として構成すること、すなわち、１つの塔の一部が第１蒸留塔として機能し、他部が第２蒸留塔として機能するように構成することも可能である。

【0090】

その場合、例えば、１つの塔の上側部分を第１蒸留塔とし、下側部分を第２蒸留塔として構成したり、１つの塔の上側部分を第２蒸留塔とし、下側部分を第１蒸留塔として構成したりすることができる。

【0091】

なお、本発明によれば、第１蒸留塔の塔径を第２蒸留塔の塔径より小さくすることが可能になるので、その点を考慮して、１つの塔に１蒸留塔と第２蒸留塔の２つの塔が含まれるように適切な設計を行うことにより、さらなる設備コストの低減を図ることが可能である。

【0092】

なお、上記実施形態で説明し、あるいは、図１に示した、原料液、第１および第２蒸留塔の塔底液、第２蒸留塔の塔頂ベーパなどに関する各種の量や、温度、成分濃度、消費エネルギー（ｋＷ）、圧力などの値は、あくまでも例示であって、本発明は、それらの値が上記実施形態の値とは異なる値となる場合を排除するものではない。

【0093】

また、上記実施形態では、低沸点成分がメタノール、高沸点成分が水である原料液を蒸留してメタノールを回収する場合を例にとって説明したが、本発明において、低沸点成分と高沸点成分の種類は上記実施形態に限定されるものではない。

【0094】

例えば、低沸点成分は、クロロフォルム、四塩化炭素、ジクロロエタン、ジクロロエチレン、二硫化炭素、アセトン、イソプロピルアルコール、ジエチルエーテル、酢酸イソアミル、酢酸ノルマルアミル、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフラン、トリクロレタン、ノルマルヘキサン、メチルイソブチルケトン、ヘキサンやヘプタンを主成分とする石油ベンジン類や石油エーテル類であってもよい。

【0095】

また、高沸点成分は、酢酸、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、トルエン、キシレン、ブタノール、イソブチルアルコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、クロルベンゼン、酢酸ノルマルブチル、１，４−ジオキサン、ジメチルホルムアミド、パークロルエチレン、メチルイソブチルケトン、メチルノルマルブチルケトンなどであってもよい。

【0096】

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、発明の範囲内において、応用、変形を加えることが可能である。

【符号の説明】

【0097】

１ 第１蒸留塔
２ 第２蒸留塔
１１ 第１リボイラ
１２ 第２リボイラ
２１ 塔頂コンデンサ
３１ 真空ポンプ
３２ 吸引ライン
３３ 供給ライン
３４ 第２温水循環ポンプ
３５ 第２温水供給ライン
３６ 第２冷却水循環ポンプ
３７ 第２冷却水供給ライン
３８ 循環ライン
３９ 貫流ポンプ
４０ 還流ライン
４１ 予熱器
４２ 第２循環ポンプ
４３ 移送ポンプ
４４ 第１循環ポンプ
４５ 供給ライン
４６ 第１冷水循環ポンプ
４７ 循環ライン
４８ 循環ライン
４９ 第１温水循環ポンプ
５０ 循環ライン
５１ 冷却塔
５２ ライン
５３ 冷却水循環ポンプ
５４ ライン
１００ 蒸留装置
ＨＰ１ 第１ヒートポンプ
ＨＰ２ 第２ヒートポンプ

【要約】

【課題】ヒートポンプを用いて省エネルギーを図るとともに、ヒートポンプに消費されるエネルギーを抑制して、さらに高い省エネルギー効果を得ることが可能な蒸留装置を提供する。
【解決手段】低沸点成分を高沸点成分よりも高濃度で含有する原料液を蒸留して、低沸点成分と高沸点成分とを分離するのに用いられる蒸留装置１００において、蒸留塔を第１蒸留塔１と第２蒸留塔２の２つの蒸留塔に分け、第１蒸留塔は第１リボイラ１１を備え、第２蒸留塔は第２リボイラ１２を備えた構成とするとともに、塔頂コンデンサ２１の冷却水の熱を、第１リボイラ用の第１ヒートポンプＨＰ１と、第２リボイラ用の第２ヒートポンプＨＰ２の２種類のヒートポンプとに振り分け、各ヒートポンプで汲み上げた熱を、第１蒸留塔用の第１リボイラと、第２蒸留塔用の第２リボイラとに供給する。
【選択図】図１

【図1】