JP2694425B2

JP2694425B2 - 内部熱交換型蒸留塔

Info

Publication number: JP2694425B2
Application number: JP6228664A
Authority: JP
Inventors: 一正阿曽; 洋志松尾; 秀夫野田; 知明高田
Original assignee: Kansai Chemical Engineering Co Ltd; Kimura Chemical Plants Co Ltd; Maruzen Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Kansai Chemical Engineering Co Ltd; Kimura Chemical Plants Co Ltd; Maruzen Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1994-08-29
Filing date: 1994-08-29
Publication date: 1997-12-24
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JPH0866601A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸留塔に関し、詳しく
は、低圧塔と高圧塔とを備え両者の間で熱交換を行う内
部熱交換型の蒸留塔に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
石油化学その他の分野で種々の蒸留操作が行われてい
る。ところで、図４に示すような、従来の蒸留操作に用
いられている蒸留塔によれば、例えばベンゼン・トルエ
ン３０ｔｏｎを蒸留して、トルエン１６．５ｔｏｎ、ベ
ンゼン１３．５ｔｏｎを回収しようとすると、入熱が４
０００ｋＷ、放熱が３９４０ｋＷとなる。そして、この
放熱が４３℃の温排水と系外に排出されることになる
が、温排水の温度が４３℃と低いため温排水のもつ熱を
利用することができず、そのまま排水されているのが現
状であり、省資源、省エネルギーの見地からみて好まし
いものではない。

【０００３】この発明は、上記問題点を解決するもので
あり、省エネルギー性に優れた内部熱交換型の蒸留塔を
提供することを目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】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は、蒸留操
作の省エネルギー化を進める見地からすれば、究極の装
置であることは、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。

【０００５】しかし、従来の蒸留塔に熱交換部分を内蔵
させることが、コスト上の問題を含めて製作上きわめて
困難であったり、あるいは使用者の要求を満足させる性
能を正確に実現できるように熱交換部分を内蔵させるこ
とができないなどの種々の理由により、内部熱交換型蒸
留塔はいまだ実用されるに至っていないのが実情であ
る。

【０００６】そこで、発明者等は、種々の実験、検討を
行い、多管型熱交換器のように、管を両端管板によって
本体胴と連結させて、管内と管外が隔離された構造と
し、管内側と管外側の操作圧力に差をつけることによ
り、管内側と管外側のいずれか一方を低圧塔、他方を高
圧塔とし、管壁を伝熱面として、両者の間で熱交換を行
わせるように構成することにより、実用可能な内部熱交
換型蒸留塔が得られることを知り、さらに実験、検討を
行って発明を完成した。

【０００７】すなわち、本発明の内部熱交換型蒸留塔
は、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
構成したことを特徴とする。

【０００８】また、管内及び管外に充填物を充填して、
管内及び管内の両方を充填塔としたことを特徴としてい
る。

【０００９】さらに、管内に規則充填物を充填して濃縮
部とし、管外に不規則充填物を充填して回収部としたこ
とを特徴としている。

【００１０】さらに、濃縮部である管内側総断面積と回
収部である管外側総断面積の比（管内側総断面積／管外
側総断面積）を、塔頂に向って小さく、塔底に向って大
きくしたことを特徴としている。

【００１１】さらに、管内及び管外に棚段を設け、それ
ぞれに気液の出入口を設けたことを特徴としている。

【００１２】また、管内に棚段を設け、管外に充填物を
充填したことを特徴とする。

【００１３】さらに、管内に充填物を充填し、管外に棚
段を設けたことを特徴とする。

【００１４】

【作用】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、管内と管外が隔離され
た構造とし、管内側と管外側の操作圧力に差をつけるこ
とにより、管内側と管外側のいずれか一方を低圧塔、他
方を高圧塔とし、管壁を伝熱面として、高圧側（高温
側）から低圧側（低温側）に熱移動させるように構成す
ることにより、実用可能な内部熱交換型蒸留塔を構成で
きる。

【００１５】すなわち、本発明の内部熱交換型蒸留塔に
おいては、管内、管外とも、下部から入って上部から出
る蒸気と、上部より入って下部に向って流れる液とが充
填物表面上あるいは棚段上で接触し、このときに熱移動
と物質移動が生じ、蒸留操作が行われる。このように、
本発明の内部熱交換型蒸留塔においては、一つの塔に高
圧側と低圧側の２つの蒸留塔があることになる。

【００１６】次に、理解を容易にするために、図３を参
照しつつ、本発明の内部熱交換型蒸留塔の説明を行う。
本発明の、内部熱交換型蒸留塔は、従来の蒸留塔におけ
る濃縮部（原液供給段より上部）と、回収部（原液供給
段より下部）を分離して並立させた構造を有しており、
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、濃縮部の操作圧を回収部の操作圧よりも高くす
る。こうすることによって、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。そして、本発明の
内部熱交換型蒸留塔においては、複数管の管壁がこの熱
交換面となり、濃縮部から回収部に熱移動が生じる。

【００１７】これによって、従来の蒸留塔ではリボイラ
ーによって一度に入熱していたものが本発明の内部熱交
換型蒸留塔においては、回収部全体でも入熱するように
なり、リボイラーの負荷が減じる。そして、従来の蒸留
塔では塔頂にあった凝縮器で放熱していたものが、本発
明の内部熱交換型蒸留塔においては、濃縮部全体で放熱
するようになり、凝縮器の負荷が減じる。従来の蒸留塔
に較べて格段の省エネルギーを実現することができるの
はこれによって明らかである。

【００１８】蒸留に限らず、一般に、分離操作において
可逆的な分離が可能であれば、そのときの仕事量が分離
に必要な最小の仕事量になるが、本発明の内部熱交換型
蒸留塔における濃縮部での各段ごとの冷却、及び回収部
における各段ごとの加熱は、できるだけこの状態に近づ
けたものである。因みに、リボイラー、凝縮器のない状
態が理想的な究極の姿であるが、これは学問上、理論的
にのみしか存在しえない。

【００１９】本発明の内部熱交換型蒸留塔においては、
管内に規則充填物を充填して濃縮部とし、管外に不規則
充填物を充填して回収部とすることができる。

【００２０】ところで、管内及び管外に充填物を充填す
る場合、管外、管内のいずれを濃縮部とし、他方を回収
部とするか、また、それぞれの充填物として、規則充填
物、不規則充填物のいずれを採用するかにより、その組
合せは８通りある。その中で、上記のように、管内に規
則充填物を充填して濃縮部とし、管外に不規則充填物を
充填して回収部とすることが望ましいのは、以下の３つ
の理由による。

【００２１】（１）濃縮部から回収部に水平方向に熱移
動があるため、濃縮部では熱交換されて冷却された蒸気
が伝熱面を液膜となって流下する。一方回収部では、伝
熱面上の液膜は、加熱され、蒸発する。そして、蒸留効
率を向上させるためには、この伝熱面上で新しく発生し
た液を蒸留部全面に均等に分散させることが重要である
が、それには、不規則充填物を充填するより規則充填物
を充填する方がはるかに有利である。また、管内に規則
充填物を充填するのはきわめて容易であるが、管外に規
則充填物を充填することは容易ではない。一方、伝熱面
上で新しく発生した蒸気の分散に関しては、規則充填、
不規則充填の差はそれほど大きいものではなく、いずれ
の場合にも、蒸気を蒸留部全面に均等に分散させること
が可能であると考えられる。

【００２２】（２）一般に、強度上は、高圧側は径の小
さいことが望ましく、保温上は、操作温度の高い方が内
部にあることが望ましい。このことは、濃縮部（高圧
（高温）側）が管内となり、それを取り囲むように回収
部（低圧（低温）側）が管外となる構造となることが望
ましい。

【００２３】（３）本発明の内部熱交換型蒸留塔の構造
においては、管内側総断面積と管外側総断面積を比較す
ると、後者の方が１．５倍以上大きいのが一般的であ
る。一方、濃縮部は回収部より操作圧力が高いから、取
扱気体が同量でもその体積は小さい。すなわち、通過流
速を等しくとるなら濃縮部の方が断面積の小さい管内側
になる。なお、図１は本発明の一実施例にかかる内部熱
交換型蒸留塔を示す図であり、（ａ）は正面断面図、
（ｂ）はそのＩｂ−Ｉｂ線断面図である。その構造に関
しては、以下の実施例で説明する。

【００２４】内部熱交換型蒸留塔は、前記（１）におい
て述べたように、濃縮部では蒸気が凝縮するので気液の
流量は下部ほど増加し、回収部では液が蒸発するので気
液の流量は上部ほど増加する。すなわち、濃縮部断面積
対回収部断面積の比（管内側総断面積／管外側総断面
積）は、塔頂が最も小さく、塔底になるにしたがって増
大し、塔底では最大になる構造であることが最も望まし
い。

【００２５】工業装置では、図１（ａ），（ｂ）に示す
ような内部熱交換型蒸留塔（を構成する構造体）を、所
定の蒸留性能が実現されるように複数段積み重ねること
により内部熱交換型蒸留塔（図２）が構成される。例え
ば、複数管の管内充填高さを３〜８ｍとすると、通常、
これを数段程度積み重ねることにより１本の内部熱交換
型蒸留塔が構成される。そして、その各段毎に、内部の
複数管の管径を塔頂になるにしたがって小さくすること
により、濃縮部総断面積対回収部総断面積（管内側総断
面積／管外側総断面積）の比を、塔頂では小さく、塔底
では大きくすることが可能になる。

【００２６】ところで、本発明の構造では、伝熱面積は
固定である。問題は蒸留塔１段当り設計要求の面積を満
足し得るかである。面積が大き過ぎる場合には、それを
殺すことは可能である。しかし、要求面積より少ない伝
熱面積しか構造上確保することができない場合には、そ
の分だけ、リボイラー、凝縮器の負荷が増加し、省エネ
ルギーの効果が減じることになる。

【００２７】一般に規則充填物は蒸留効率が高く、棚段
の一段に相当する高さは小さい値を示す。したがって、
充填物として、規則充填物を採用した場合、上記のごと
く設計要求の伝熱面積を確保し得ないケースもあり得
る。

【００２８】これに対し、管内、管外を棚段構造とする
とき、その段間隔は、自由にとることが可能であるた
め、伝熱面積を確保する見地から一段当りの高さを選定
すれば、所期の省エネルギー効果得ることが可能にな
る。

【００２９】なお、棚段構造とした場合には、伝熱面上
で凝縮した液がその段上で、必ず分散されるというメリ
ットがある。

【００３０】また、棚段構造としては、多孔板、無堰が
最も本発明の構造に適している。

【００３１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて説明
する。図１（ａ）はこの発明の一実施例にかかる内部熱
交換型蒸留塔を示す正面断面図、図１（ｂ）はそのＩｂ
−Ｉｂ線断面図である。

【００３２】この内部熱交換型蒸留塔（を構成する構造
体）Ａは、本体胴１と、本体胴１内に挿入された複数管
２を両端管板（上側管板３ａ及び下側管板３ｂ）によっ
て本体胴１と連結させることにより、複数管２の管内
（濃縮部）４と管外（回収部）５が隔離された構造を有
している。そして、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）には不規則充填物が充
填されている。

【００３３】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、上側管板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。

【００３４】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、下側管板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。

【００３５】また、図２は、図１に示す内部熱交換型蒸
留塔（を構成する構造体）Ａを組み合わせて構成した内
部熱交換型蒸留塔を示す図である。なお、図２におい
て、図１と同一符号を付した部分は、図１の各部と同一
又は相当部分を示している。

【００３６】この内部熱交換型蒸留塔は、図１に示すよ
うな内部熱交換型蒸留塔（を構成する構造体）Ａ
（Ａ_１，Ａ_２）を２段積み重ねることにより構成されて
いる。そして、構造体Ａ _１，Ａ _２の順に内部の複数管の
管径を小さくすることにより、一本の内部熱交換型蒸留
塔において、濃縮部総断面積対回収部総断面積（管内側
総断面積／管外側総断面積）の比を、塔頂（Ａ _１側）で
は小さく、塔底（Ａ _２側）では大きくすることが可能に
なる。

【００３７】また、この内部熱交換型蒸留塔において
は、原液が上段の構造体Ａ（Ａ_１）の回収部液入口６に
供給されるように構成されている。

【００３８】また、上段側の回収部液出口１１は、管２
２により下段側の構造体Ａ（Ａ_２）の回収部液入口６に
接続されている。さらに、下段側の構造体Ａ（Ａ_２）の
回収部蒸気出口７は、管２１により上段側の構造体Ａ
（Ａ_１）の回収部蒸気入口１０に接続されている。

【００３９】また、上段側の構造体Ａ（Ａ_１）の回収部
蒸気出口７は、管２３により下段側の濃縮部蒸気入口１
２に接続されており、管２３には蒸気を圧縮するための
圧縮機２４が配設されている。

【００４０】さらに、下段側の構造体Ａ（Ａ_２）の濃縮
部液出口１３から抜き出された液は、絞り弁２５を備え
た管２６を経て回収部液入口６に供給されるように構成
されている。

【００４１】また、上段側の構造体Ａ（Ａ_１）の濃縮部
蒸気出口９から抜き出された蒸気は、管２７により冷却
器２８に導かれて凝縮し、留出液として回収されるとと
もに、一部が濃縮部液入口８に戻されるように構成され
ている。

【００４２】さらに、下段側の構造体Ａ（Ａ_２）の回収
部液出口１１から抜き出された液は管２９を経て、缶出
液として系外に排出されるように構成されている。

【００４３】この内部熱交換型蒸留塔においては、例え
ば、図３に示すように、ベンゼン・トルエン３０ｔｏｎ
を蒸留して、トルエン１６．５ｔｏｎ、ベンゼン１３．
５ｔｏｎを回収する場合に、入熱が２０００ｋＷ、圧縮
機の動力が４５０ｋＷ、回収される熱エネルギーが１５
０℃（２２００ｋＷ）となり、前述の従来の蒸留塔を用
いる場合に較べて格段の省エネルギーを実現することが
できる。

【００４４】なお、上記実施例では、管内側を濃縮部、
管外側を回収部とした場合について説明したが、場合に
よっては、管内側を低圧側として回収部とし、管外側を
高圧側として濃縮部とすることも可能である。

【００４５】また、上記実施例では、管内側に規則充填
物、管外側に不規則充填物を充填した場合について説明
したが、場合によっては、充填物の種類を同一にした
り、あるいは逆にしたり、さらには、棚段構造、棚段と
充填物充填との組合せにすることも可能である。

【００４６】

【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、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、管内と管外が隔離
された構造とし、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ているので、特に複雑な構造を必
要とせず、高圧側と低圧側の間に大きな伝熱面積を確保
して、省エネルギー性に優れた内部熱交換型蒸留塔を実
現することができる。

【００４７】なお、管内を濃縮部、管外を回収部とし
て、管内を規則充填物充填あるいは無堰多孔板の棚段、
管外を不規則充填物充填あるいは無堰多孔板の棚段とす
ることにより、最も実用的な内部熱交換型蒸留塔を構成
することができる。

【００４８】さらに、濃縮部である管内側総断面積と回
収部である管外側総断面積の比（管内側総断面積／管外
側総断面積）を、塔頂に向って小さく、塔底に向って大
きくすることにより、各部分における処理量（気液の流
量）に応じた断面積を確保して、より効率よく蒸留操作
を行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる内部熱交換型蒸留塔
（を構成する構造体）を示す図であり、（ａ）は正面断
面図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図である。

【図２】本発明の一実施例にかかかる内部熱交換型蒸留
塔を示す図である。

【図３】本発明の一実施例にかかる内部熱交換型蒸留塔
の運転状態の一例を示す図である。

【図４】従来の蒸留塔の運転状態の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】１本体胴２複数管３ａ上側管板３ｂ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

フロントページの続き (72)発明者松尾洋志兵庫県尼崎市杭瀬寺島２丁目１番２号木村化工機株式会社内 (72)発明者野田秀夫兵庫県尼崎市南七松町２丁目９番７号関西化学機械製作株式會社内 (72)発明者高田知明東京都中央区八丁堀二丁目25番10号丸善石油化学株式会社内 (56)参考文献実開平２−95501（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】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
構成したことを特徴とする内部熱交換型蒸留塔。
【請求項２】管内及び管外に充填物を充填して、管内
及び管内の両方を充填塔としたことを特徴とする請求項
１記載の内部熱交換型蒸留塔。
【請求項３】管内に規則充填物を充填して濃縮部と
し、管外に不規則充填物を充填して回収部としたことを
特徴とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留塔。
【請求項４】濃縮部である管内側総断面積と回収部で
ある管外側総断面積の比（管内側総断面積／管外側総断
面積）を、塔頂に向って小さく、塔底に向って大きくし
たことを特徴とする請求項３記載の内部熱交換型蒸留
塔。
【請求項５】管内及び管外に棚段を設け、それぞれに
気液の出入口を設けたことを特徴とする請求項１記載の
内部熱交換型蒸留塔。
【請求項６】管内に棚段を設け、管外に充填物を充填
したことを特徴とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留
塔。
【請求項７】管内に充填物を充填し、管外に棚段を設
けたことを特徴とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留
塔。