JP4199125B2 - 内部熱交換型蒸留塔 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、プロセス産業における蒸留作業に特に適した、塔の内部に別々の容積部を有する内部熱交換型蒸留塔に関する。さらに詳細には、本発明は、このような塔に関し、ここにおいて、前記各容積部は、向上した熱交換によって、異なる温度で操作されることができ、したがって、運転においてエネルギ上の利点が得られる。

蒸留塔における内部熱交換は、蒸留作業におけるエネルギ効率の向上を提供する重要な手段であると、よく認識されている。しかしながら、本技術の適用は、構造のコスト要因と、特に塔の複雑な構造なしに適切な熱交換を供給することの困難性とによって、妨げられてきた。

ＵＳ−Ａ４，６８１，６６１においては、内部熱交換型蒸留塔が記載され、この塔は、中央の塔と、中央の塔の周りに外側の環状の塔とを含む。したがって、異なる領域が塔に設けられ、これらの領域は、異なる圧力で操作されることができる。両方の領域は、従来のトレイと降水管とを備える。

ＵＳ−Ａ５，７８３，０４７においては、内部熱交換型蒸留塔が記載され、この塔は、外側のシェルと、内側の１つまたは複数の管とを含む。したがって、異なる領域が塔に設けられ、これらの領域は、異なる圧力で操作されることができる。しかしながら、産業的に大規模な作業において、２つの領域の間に十分な熱交換領域を設けるために、相対的に小さい直径を有するいくつかの管は、外側のシェルに配置されなければならない。管の相対的に小さい直径に起因して、管内での蒸留内部の使用は、不規則なパッキングリングまたは構造化されたパッキングに限定される。トレイの使用は、複雑な構造を必要とする。

ＵＳ−Ａ４，２３４，３９１において、連続蒸留装置および方法が記載され、ここにおいて、塔は、分割壁によって２つの分離した半円筒状の部分に分割され、一方の部分は、回収部として機能し、他方の部分は、精留部として機能する。本発明の目的は、塔の長さに沿って２つの分離した容積部からなる内部熱交換型蒸留塔を提供することであり、ここにおいて、十分な熱伝達が容積部の間で供給される。本発明の目的はまた、このタイプの内部熱交換型蒸留塔を提供することであって、ここにおいて、トレイが用いられてもよい。

この目的およびその他の目的は、本発明の塔によって提供される。この塔は、内部熱交換型蒸留塔であって、上端および下端を有し、かつ少なくとも１つの第１内部容積部と少なくとも１つの第２内部容積部とを有する円筒状のシェルを含み、前記両方の容積部が、トレイおよび降水管を備え、容積部を分離する壁を通して互いに熱交換接触し、この改良は、前記少なくとも１つの第１容積部から前記少なくとも１つの第２容積部に対して前記壁を通って延びる、熱交換能力を有する手段を含み、前記熱交換手段が前記トレイの間であってトレイの降水管に位置し、これによって、前記熱交換手段の内部は、前記第１容積部と連通している。もちろん、熱交換手段は、他方の（第２）容積部に対して、物質伝達のために連通していない。

本発明の塔の重要な局面は、他方の容積部に対して延びる、熱交換を提供する手段の存在にあり、これによって、一方の容積部から他方の容積部に対する熱伝達の可能性を提供し、その結果、熱い（通常高圧）部分において、蒸気の部分的な凝縮を生じさせるとともに、冷たい（通常低圧）部分において、（部分的な）液体の蒸発を生じさせる。

本発明の内部熱交換型蒸留塔は、好ましくは、濃縮部と回収部とを有し、容積部のうち一方は、濃縮部であり、他方は、回収部である。用語「濃縮部」および「回収部」がここで用いられる場合、これらはまた、塔の分離した容積部を示すとみなされる。

本発明の内部熱交換型蒸留塔は、従来の蒸留塔にあるような濃縮（精留）部（Ｅ）（供給段階よりも上の部分）と回収部（Ｓ）（供給段階よりも下の部分）とが、互いに分離され、かつ並列して配置される構造を有し、濃縮部の操作圧は、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、回収部の操作圧よりも高くされる。この構成において、もしこれらの間に熱伝達面が存在する場合、熱伝達は、濃縮部から回収部に対して生じる。本発明の内部熱交換型蒸留塔において、熱伝達は、濃縮部から回収部に対して生じる。

本発明は、２つの好適な実施形態において見られることができる。第１の実施形態において、熱交換手段は冷たい部分に位置し、蒸気は、熱い部分から熱交換手段に導入され、熱交換手段において凝縮し、これによって、冷たい部分に対して熱を発する。凝縮した蒸気（液体）は、熱い部分に戻される。前記熱交換手段の外部において、液体は蒸発される。

第２の実施形態において、熱交換手段は、熱い部分に位置し、冷たい部分からの液体は、熱交換手段に到達する。前記液体は、熱交換手段の内部で（部分的に）蒸発され、蒸気は、前記熱交換手段の外部で（部分的に）凝縮する。熱交換手段において発生する蒸気は、冷たい部分に戻される。一般的に、両実施形態において、液膜流(liquid film flow)を有することが好ましい。

本発明の内部熱交換型蒸留塔において、両方の容積部において、下端から入って、上端から出る蒸気は、パッキングの表面上で、またはトレイ上で、上端から入って下端に流れる液体と接触する。このとき、物質伝達が生じ、したがって、蒸留作業が実行される。本発明の内部熱交換型蒸留塔において、２つの蒸留部、すなわち高圧の部分と低圧の部分とが、１つの塔に配置される。

入熱がリボイラによって供給される従来の蒸留塔とは対照的に、本発明の内部熱交換型蒸留塔に従えば、入熱は、主として、回収部全体において提供され、その結果、リボイラにおける熱負荷は、最小限にされ得る。従来の蒸留塔において、熱除去は、塔頂部に配置された復水器によって行われる。対照的に、本発明の内部熱交換型蒸留塔に従えば、熱除去は、濃縮部全体において実行され、その結果、復水器負荷は最小限にされ得る。したがって、従来の蒸留塔と比べて、多量のエネルギを節約することができる。

内部熱交換型蒸留塔において、蒸気は濃縮部において凝縮され、したがって、蒸気の流量は、上部に向かうに従って減少し、液体は、回収部において蒸発され、その結果、蒸気の流量は、上部に向かうに従って増加する。したがって、上昇する蒸気の体積流量の割合および特定の容積部の断面積が、塔の高さに関わりなく、塔内部の操作範囲内に維持されることを確実にするために、容積部の断面積は、濃縮部の底部から頂部に移動すれば減少し、回収部の底部から頂部に移動すれば増加しなければならない。本発明の好適な実施形態のこの局面は、図面において示され、以下において検討されるであろう。

本発明の塔は、様々な方法で構成されることができ、常に互いに隣接し、分離壁によって分割される２つの容積部を備える。実際上、これは、２つの可能性が好ましいことを意味する。第１の可能性は、同軸の内部の塔を有する塔である。他方の可能性は、塔の一方側から他方側に達する分割壁を備える塔である。

本発明の塔は、蒸気／液体接触を向上させる手段を含み、この手段は、好ましくは、たとえばトレイであってもよいが、また、任意の、または構造化されたパッキングであってもよい。両方の容積部において、同一のシステムの前記蒸気／液体接触を向上させる手段を有する必要はない。

前述のように、降水管を有するトレイの使用は好適であり、なぜなら、これらは、蒸気／液体接触を提供する容易かつ単純な方法を提供するからである。この実施形態において、熱交換手段、好ましくは垂直の熱伝達パネルが、降水管において設けられ、流れ落ちる液体は、液体分配システムの手段によってパネルの表面に亘って分布する。

熱交換能力を有する手段は、プレート型、または管状構造を有してもよい。プレートまたは管の表面は、滑らかな、またはざらつきのあるものであってもよい。一般的に、コイル、平坦なプレート、窪みのあるプレート、フィン付きプレートもしくはフィン付きコイル、波形のプレート、または熱伝達を高めるその他のプレートを用いることができる。

一般的に、蒸気・液体分離手段が、液体からの気体の分離を向上させるために、熱交換手段の間、周り、または上方に存在することが好ましい。適切な手段は、フィン、ベーン(vane)、波形構造のパッキングシート、ダンプパッキング(dumped packing)およびこれらの類似物である。

熱交換手段は、第１の容積部から第２の容積部に対して壁を通して延び、これによって前記熱交換手段の内部は、前記第１の容積部と連通している。

本発明の第１の実施形態において、熱交換手段は、最も高い温度を有する部分（濃縮部）と連通しており、蒸気は、濃縮部から熱交換手段に入り、内部で凝縮する。熱は、第２の容積部（回収部）に対して壁を通して伝達され、液体は、熱交換手段の外面で蒸発する。凝縮液は、濃縮部に還流する。

第２の実施形態において、熱交換手段は、最も低い温度を有する部分（通常回収部）と連通しており、液体は、前記容積から熱交換手段に入り、最も高い温度を有する部分（濃縮部）から熱交換手段の壁を通して伝達された熱によって、熱交換手段の内面で部分的に蒸発される。この部分において、蒸気は、熱交換手段の外面で凝縮する。残りの液体は、回収部に還流し、蒸気も同様である。

本発明は、エネルギ集約蒸留作業における使用に特に適している。その例は、石油化学工業における液体空気蒸留および種々の分離、たとえば、エタン／エチレン分離、プロパン／プロピレン分離、ブタン／イソブタン分離、空気分離、共沸混合物を分断する蒸留、およびこれらの類似物である。

本発明における重要な局面は、２つの容積部間の操作圧の相違である。このような相違を得るために、手段は、一方の容積部から他方の容積部まで移動する蒸気流の圧力を上昇させるように存在しなければならない（たとえば、送風機または圧縮機）。濃縮（または精留）部における圧力は、回収部における圧力よりも高くなる。一般的に、圧力の割合は、回収部における液体の十分な量の蒸発を得るために理論上必要とされる割合よりもあまり高くならない。一般的に、この割合は、２を越えない。

本発明は、多数の図面に基づいて、以下において説明され、ここにおいて、本発明の好適な実施形態が記載される。これらの図面は、本発明の範囲を限定するものとして意図されない。

図１はトレイの平面図を示し、図２は本発明の実施形態に従った塔の一部の縦断面図を示し、熱交換手段は、最も高い温度の容積部と連通している。断面図は、内部塔における４つのトレイ（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）と、環状の外部塔における４つのトレイとを示す。平面図は、断面図に示されるトレイ（ａ）を示す。トレイは、シーブトレイ(sieve trays)、または産業蒸留に用いられるその他のあらゆるタイプ、たとえば、バルブトレイ、バブルキャップトレイ、もしくはトンネルトレイであってもよい。平面図の破線は、トレイの上方に位置する降水管を示す。

内部塔のトレイ（ａ）は、ありふれたクロスフロー設計であり、矩形の降水管を備える。矢印は、トレイに亘って流れる液体の方向を示す。トレイの上方から降水管を出る液体は、右側でトレイ（ａ）に入り、トレイに亘って流れ、その後、左側で降水管に収集される。

この実施例において、外部の環状の塔のトレイは、４つの降水管を備え、ここにおいて、熱伝達パネルが搭載される。トレイ（ａ）の上方に位置するトレイから降水管を出る液体は、出口において、トレイ（ａ）の操作領域にそれぞれ入る、２つの部分に等分される。矢印は、トレイに亘って流れる液体の方向を示す。操作領域部の終端において、液体は、主要な谷部に収集され、これらの谷部は、降水管の上方に配置される。これらの谷部は、熱伝達パネルに亘って液体の分配を可能にする側溝を備える。

位置Ａ−Ａにおける断面図は、トレイおよび熱伝達パネルの位置を示す。熱伝達パネルの頂部は、内部塔の蒸発空間に対して、１または複数の管を介して連結される。底部において、熱伝達パネルは、内部塔のトレイに対する凝縮液の排出用の管を備える。

図３はトレイ（ａ）のすぐ下方に位置するトレイ（ｂ）の平面図を示し、図４はＢ−Ｂの断面図である。外部塔における降水管の位置は、上方のトレイに対して４５°の角度で回転されている。環状の塔のトレイが２つの降水管を備える場合、この回転角は、９０°であり、６つの降水管の場合は、３０°である。

図５は、回収部の降水管における熱伝達パネルの上方に配置される液体分配システムの可能性のある構成の３次元図を示す。液体は、主要な谷部を介して、側溝に流れる。側溝の壁において、熱伝達パネルに亘って液体を分配するために孔が設けられる。溝の壁の外側において、孔は、熱伝達パネルに亘って液体の膜流を確実にするために、スプラッシュプレート(splash plate)で覆われる。したがって、スプラッシュプレートは、熱伝達パネルの頂部に亘って延びる。溝の端部において、堰が、一定の液面を維持するために設けられる。余剰の液体は、これらの堰を越えて排出される。

図６ａ、図６ｂ、図６ｃおよび図６ｄにおいて、熱伝達パネルの可能性のあるアセンブリを示す。この実施例において、アセンブリは、６つの並列したパネルからなる。パネルは、好ましくは、垂直方向に向けられた波形のシートから構成される。コイル、平坦なプレート、窪みのあるプレート、フィン付きプレートまたは熱伝導を高めるその他のプレートのようなその他の構成であってもよい。図６ｄは、波形によって、垂直の溝が得られることを示す。頂部において、これらの溝は、蒸気入口溝に連結される。６つの蒸気入口溝は、２つの蒸気入口を有する母管に連結される。同様にして、凝縮液は、液体収集母管に連結される液体出口溝を介して、パネルの底部において、内部塔に排出される。

図７は平面図を示し、図８は２つの容積部を分割する壁に基づいた本発明の塔の断面図を示す。これらの図面には、図１〜図４において示されるような、同一の特徴が示される。

図９および図１０は、回収部および濃縮部の断面積の割合が、塔の高さに従って蒸気の量に伴って変化するという特徴を示す。これは、２つの可能性のある構造を示している。図９において、２つの半円筒状の容積部を分割部によって分離した単一の円筒状のシェル塔が示される。濃縮部および回収部両方の断面積は、段階的に変化する。図１０は、同軸の塔に関する段階的な断面積変化を示す。

図１１は、本発明の第２の実施形態に従った塔の縦断面図を示し、ここにおいて熱交換手段は、中央（濃縮）部に位置するとともに、環状（回収）部と連通している。図面において示されるように、液体は、トレイから管状手段に入り、管の内部を、好ましくは膜として、流れ落ちる。液体の一部は、前記手段の内部で蒸発し、上昇する。蒸気は、熱交換手段の頂部から、環状部に対し、流れ、これによって、前記手段は、好ましくは、適切な気体・液体分離を供給する液体・気体分離手段を有する。蒸発しない残りの液体は、熱交換手段の底部から回収部に還流する。

図１２および図１３は、図１１に関連して記載された実施形態に適した熱交換手段の実施例の種々の断面図を示す。図において、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、環状部に対する熱交換手段の種々の連結部を示す。（ａ）は、蒸発しなかった液体が環状部に還流するための連結部であり、（ｂ）は、液体の入口であり、（ｃ）は、蒸気除去連結部である。（ｄ）は、気体・液体分離手段の可能性のある形態である。

実施例
図１〜図５の構成に基づく塔であって、降水管におけるパネルと、表１における構成の詳細とを有する塔が、システムプロパン／プロピレンの蒸留に用いられる。全体的な熱伝導係数は、７００Ｗ／ｍ²Ｋであり、トレイあたりの熱伝導面積は、１０．５ｍ²である。

（表１）
外部塔の直径 ２．５ｍ
内部塔の直径 １．２ｍ
トレイの間隔 ０．５ｍ
熱交換パネルの長さ ０．５５ｍ
パネルの高さ ０．４ｍ
パネルあたりの熱伝導面積 ０．４４ｍ²
トレイあたりのパネルの数 ２４
降水管あたりのパネルの数 ６
前述と同一のタイプの塔であるが、熱交換装置として管を用いるものに関して、対応する寸法は、次のとおりである。

（表２）
管の長さ（ヘアピン） ０．５ｍ
管の直径（外径） ２０ｍｍ
ピッチ（矩形） ３０ｍｍ
降水管あたりの管 ８４

本発明の実施形態に従った同軸の塔であって、トレイおよび降水管が取り付けられた塔における、トレイの平面図を示す。 図１の線Ａ−Ａに沿った、図１に示す塔の縦断面図を示す。 図１に示すものの下方にあるトレイの平面図を示す。 図３の線Ｂ−Ｂに沿った縦断面図を示す。 ３次元図における液体分配システムの可能性のある構成を示す。 熱伝達パネルの可能性のあるアセンブリを示す。 熱伝達パネルの可能性のあるアセンブリを示す。 熱伝達パネルの可能性のあるアセンブリを示す。 熱伝達パネルの可能性のあるアセンブリを示す。 塔を２つの容積部に分割する平坦な壁に基づいた本発明の塔の平面図を示す。 分割した壁の塔の断面図を示す。 回収部および濃縮部の断面積の割合が、塔の高さに従って蒸気の体積に伴って変化するという特徴を示す。 回収部および濃縮部の断面積の割合が、塔の高さに従って蒸気の体積に伴って変化するという特徴を示す。 本発明のさらなる実施形態に従った塔の縦断面図を示す。 図１１の実施形態での使用に適した熱交換手段の種々の断面図を示す。 図１２の熱交換手段の拡大断面図を示す。

Claims (16)

1. 上端および下端を有し、かつ少なくとも１つの第１内部容積部および少なくとも１つの第２内部容積部を有する円筒状の外部のシェルを含み、容積部を分離する壁を通して互いに熱交換接触する内部熱交換型蒸留塔において、前記両方の容積部が、トレイおよび降水管を備え、前記少なくとも１つの第１内部容積部から前記少なくとも１つの第２容積部に対して前記壁を通って延びる熱交換能力を有する手段を含み、前記熱交換手段が前記トレイの間であってトレイの降水管に位置し、前記熱交換手段の内部は、前記第１容積部と連通していることを特徴とする内部熱交換型蒸留塔。
2. 外部シェルと同軸の内部管を備え、内部管の内部に容積部を規定するとともに、内部管とシェルとの間に環状の容積部を規定することを特徴とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留塔。
3. 前記第１および前記第２容積部は、外部シェルの内側に沿って延び、かつ両端が外部の壁に連結される分離壁によって、作製されることを特徴とする請求項１記載の内部熱交換型蒸留塔。
4. 前記第１容積部は、回収部として作用するように構成され、前記第２容積部は、濃縮部として作用するように構成されることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
5. 熱交換手段は、最も高い温度を有する容積部として設計された容積部に存在するとともに、最も低い温度を有するように設計された容積部と連通していることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
6. 熱交換手段は、最も低い温度を有する容積部として設計された容積部に存在するとともに、最も高い温度を有するように設計された容積部と連通していることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
7. フィン、ベーン、波形構造のパッキングシートおよびダンプパッキングリングの群から選択される、蒸気分離手段が存在することを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
8. 濃縮部は、トレイおよび降水管を備え、回収部は、構造化された、またはパッキングを備えることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
9. 回収部は、トレイおよび降水管を備え、濃縮部は、構造化されたパッキング、またはパッキングを備えることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
10. 回収部および濃縮部の両方が、構造化されたパッキング、および／またはパッキングを備えることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
11. 前記熱交換手段は、パネルまたは管状の構造、垂直方向に向けられた波形シート、コイル、平坦なプレート、窪みのあるプレートもしくは管、フィン付きプレートもしくは管、またはその他の熱伝達を高めるプレートもしくは管を有することを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
12. 熱交換能力を有する複数の前記手段が、塔の長さに沿って存在することを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
13. 一方の容積部の容積は、下端から上端へと増加し、同時に他方の容積部の容積は、下端から上端へと減少することを特徴とする請求項１〜１２のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
14. 前記第１容積部および前記第２容積部の間の圧力差を供給する手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜１３のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔。
15. 液化空気、有機混合物または水溶性混合物を蒸留する方法であって、請求項１〜１４のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔を用いることを含むことを特徴とする方法。
16. 蒸留のための、請求項１〜１４のうちいずれか１項に記載の内部熱交換型蒸留塔の使用方法。

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