JPH0699338B2 - 熱回収及び動力回収装置を有するアルコール蒸留装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２基以上の蒸留塔装置
を有し、かつ熱回収及び動力回収装置を有するアルコー
ル蒸留装置、特にかかる装置における塔頂留分の熱を回
収するヒートポンプと、蒸気ボイラーで発生した蒸気の
熱エネルギーを有効利用するヒートポンプ駆動装置との
組み合わせに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般な２基以上の蒸留塔装置を有
するアルコール蒸留装置では、図２に示すようにいずれ
の蒸留塔５０、６０、７０の塔頂留分をも通常の凝縮器
５２、６２、７２で冷却水の顕熱により冷却して凝縮さ
せ、かつ塔頂留分より熱を得て温度の上がった冷却水を
そのまま系外に排出していた。即ち、塔頂留分の熱は利
用されることなく大気に放出されていた。一方、アルコ
ール蒸留装置で必要とされる蒸気を供給するために、蒸
気ボイラー５８で所要量の蒸気を発生させている。発生
した蒸気を所定使用圧力の低圧蒸気に圧力降下させる場
合に、蒸気ボイラー５８で発生した蒸気の大半は、背圧
タービン等を介して動力として熱エネルギーを回収する
ことなく、単に蒸気降圧弁５６を通して所定圧力に降圧
され、開閉弁５４、６４、７４を介して蒸留塔５０、６
０、７０に供給されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来のア
ルコール蒸留装置は、塔頂留分の熱を有効利用すること
もなく、また蒸気ボイラーで発生した蒸気を高い熱効率
で利用することもなかったので、熱効率の低い、経済的
でない装置であった。従来のアルコール蒸留装置におい
て塔頂留分の熱が利用されていない理由は、その熱の温
度レベルが低いので回収が容易でないこと、及びその熱
容量がそれほど大きくなく例えば廃熱ボイラー等の大規
模回収方式を採用することが困難であったからである。
一方、蒸気ボイラーで発生させた蒸気を高い熱効率で利
用できない理由は、アルコール蒸留塔装置の蒸気使用
量、例えば蒸留塔の熱源用蒸気使用量が、含水アルコー
ルを製造するのか、無水アルコールを製造するのか等の
原料液の種類、或いは原料液処理量の大小等の蒸留塔の
運転条件により大幅に変動するので、背圧タービン等の
従来の動力回収装置を適用することが困難であったから
である。

【０００４】以上の問題に鑑み、本発明の目的は、塔頂
留分の熱の利用と、蒸気ボイラーで発生した蒸気の熱エ
ネルギーの有効利用とを組み合わせた、高い熱効率を実
現できる、熱回収及び動力回収装置を有するアルコール
蒸留装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明に係
る次の特徴を有する蒸留塔装置により達成される。その
蒸留塔装置は、２基以上の蒸留塔装置を有するアルコー
ル蒸留装置において、２基以上の蒸留塔装置のうちの少
なくとも１基の蒸留塔装置は、蒸留塔の塔頂留分と冷却
水との熱交換により蒸気を発生する凝縮／蒸発器と、発
生した蒸気を昇圧するスクリュー式水蒸気圧縮機と、及
びスクリュー式水蒸気圧縮機の駆動装置とを備え、駆動
装置は、複数台の蒸気膨張機と、これら蒸気膨張機の少
なくとも１台をスクリュー式水蒸気圧縮機に連結できる
一方向クラッチ付平行ギアと、スクリュー式水蒸気圧縮
機と一方向クラッチ付平行ギアとの間に設けられた電気
モータとを有することを特徴とする熱回収及び動力回収
装置を有するアルコール蒸留装置である。

【０００６】本発明が２基以上の蒸留塔装置を有するア
ルコール蒸留装置を対象としているのは、蒸留塔１基の
小規模な装置に本発明を適用するより場合より２基以上
の蒸留塔装置を有する大規模なアルコール蒸留コンプレ
ックスに本発明を適用する場合の方が本発明の効果がよ
り顕著であるからである。本発明を１基のみの蒸留塔装
置しか有しないアルコール蒸留装置にも適用できるの
は、当然である。凝縮／蒸発器とスクリュー式水蒸気圧
縮機とを組み合わせたヒートポンプとヒートポンプ駆動
装置を必ずしも２基以上の蒸留塔装置の全てに設ける必
要はない。好適には処理量の大きい蒸留塔装置に設ける
ならば、それだけ多量の熱エネルギーを回収することが
できる。

【０００７】本発明において使用する機器は、特に説明
しない限り従来から既知のものである。また、本発明の
アルコール蒸留装置で蒸留するアルコール原料液の種
類、性状等には特に制約はない。凝縮／蒸発器は、従来
から既知の多管式熱交換器、ボックス型熱交換器等の熱
交換器であって伝熱面を有して流体相互の間で熱交換で
きるものである限り特に制約はない。例えば多管式熱交
換器を使用して、管側に水を通し、胴側に塔底留分を通
す。また、それぞれをその逆の側に流すこともできる。
凝縮／蒸発器で発生した蒸気を所定の圧力に昇圧するた
めにスクリュー式水蒸気圧縮機を使用する理由は、１次
側及び２次側の条件が多少変動してもスクリュー式水蒸
気圧縮機はその変動に自由に追随することができるから
である。昇圧された蒸気は、蒸留塔の加熱用等の用途に
使用される。

【０００８】蒸気膨張機は、スクリュー型蒸気膨張機、
タービン型蒸気膨張機等の既知の蒸気膨張機である。一
方向クラッチ付平行ギアは、複数台の蒸気膨張機の少な
くとも１台を、即ち所望に応じて必要な台数の蒸気膨張
機をスクリュー式水蒸気圧縮機に連結できる既知の機器
であって、１台の蒸気膨張機を連結するとその蒸気膨張
機の駆動動力のみがスクリュー式水蒸気圧縮機に伝達さ
れ、複数台の蒸気膨張機を連結するとその複数台の蒸気
膨張機の駆動動力の和がスクリュー式水蒸気圧縮機に伝
達される。スクリュー式水蒸気圧縮機と一方向クラッチ
付平行ギアとの間に同軸に設けられた電気モータは、ス
クリュー式水蒸気圧縮機の補助駆動機としての機能と発
電機としての機能との双方を有して、スクリュー式水蒸
気圧縮機の所要動力と低圧蒸気の所要量との差を調整す
る。スクリュー式水蒸気圧縮機の負荷が大きいにもかか
わらず低圧蒸気の所要量が小さく、それに応じて少数台
の蒸気膨張機で駆動するため駆動動力が不足する場合に
は、電気モータは蒸気膨張機と協働して補助的に駆動機
として働く。逆に、スクリュー式水蒸気圧縮機の負荷が
小さいにもかかわらず低圧蒸気の所要量が大きく、それ
に応じて多数台の蒸気膨張機で駆動するため駆動動力が
過剰になる場合には、電気モータは発電機として働くこ
とにより蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し
て熱効率を向上させる。

【０００９】以上の凝縮／蒸発器とスクリュー式水蒸気
圧縮機とを組み合わせたヒートポンプにより、２基以上
の蒸留塔の内の少なくとも１基の塔頂留分の熱を蒸気に
変えて回収し、その回収蒸気量だけ蒸気ボイラーでの蒸
気発生量を低減することができる。更に、本発明は、ヒ
ートポンプ駆動装置に複数台の蒸気膨張機を備えること
により、ヒートポンプの所要動力が大きくかつ低圧蒸気
の所要量も多いときは、必要に応じ多数台の蒸気膨張機
を運転し、ヒートポンプの所要動力が小さく低圧蒸気の
所要量も少ないときは少数台の蒸気膨張機を運転し、蒸
気ボイラーで発生した蒸気の熱エネルギーを動力源とし
て回収しながら高い熱効率で低圧蒸気に降圧することが
できる。好適には、複数台の蒸気膨張機のそれぞれの容
量の比率を等比数列の比、例えば１：０．５：０．２５
のようにする。それにより、容量の異なる複数台の蒸気
膨張機を組み合わせて一層効果的に蒸気の熱エネルギー
を利用できる。本発明は、以上述べた二つの点から、２
基以上の蒸留塔装置の熱効率を向上させることができ
る。以下に、添付図面を参照して実施例に基づき本発明
をより詳細に説明する。

【００１０】

【実施例】図１を参照して、本発明に係る蒸留塔装置の
実施例装置を説明する。図１に図示の蒸留塔装置１０
は、本発明に係る２基以上の蒸留塔装置を有するアルコ
ール蒸留装置の内の１基であって、凝縮／蒸発器で蒸気
を発生させ、発生蒸気をスクリュー式水蒸気圧縮機で昇
圧して所定圧の蒸気とすることにより塔頂留分の熱を回
収するヒートポンプと、ヒートポンプを駆動するために
蒸気ボイラーで発生した蒸気を有効に利用する駆動装置
とを有す蒸留塔装置である。本発明に係る２基以上の蒸
留塔装置を有するアルコール蒸留装置のうちかかるヒー
トポンプとヒートポンプの駆動装置を有しない蒸留塔装
置は、前述した従来の蒸留塔装置と同様のものである。
蒸留塔装置１０は、蒸留塔１２と、蒸留塔１２の塔頂留
分を水により冷却して凝縮させ、一方水を塔頂留分から
得た熱により蒸発させて、蒸気を発生する凝縮／蒸発器
１４と、発生した蒸気を所定圧に昇圧するスクリュー式
水蒸気圧縮機１６と、スクリュー式水蒸気圧縮機１６を
駆動するための駆動装置１８とを備えている。

【００１１】駆動装置１８は、容量が２：１の２台の蒸
気膨張機２０Ａ及び２０Ｂと、これら２台の蒸気膨張機
のいずれか一方又は同時に双方をスクリュー式水蒸気圧
縮機１６に連結することのできる一方向クラッチ付平行
ギア２２と、スクリュー式水蒸気圧縮機１６と一方向ク
ラッチ付平行ギア２２との間に同軸に設けられた電気モ
ータ２４とを有する。簡単にするため、本発明に直接関
係しない蒸留塔の塔底加熱用の設備、塔底留分の抜き出
しポンプ、凝縮した塔頂留分の一部を塔頂に還流する還
流ポンプ、塔頂留分送出ポンプ、制御装置等について
は、必要のない限り特に図示も説明も行わない。

【００１２】蒸留塔１２の塔頂留分は、凝縮／蒸発器１
４の胴側を流れ、管側を流れる水に熱を奪われて凝縮す
る。一方、水は配管２６を通って凝縮／蒸発器１４の管
側を流れ、胴側を流れている塔頂留分から熱を得て蒸発
し、蒸気となる。尚、好適には、軟水化処理した水を凝
縮／蒸発器１４に供給する。凝縮／蒸発器１４の管側の
圧力は、塔頂留分から熱を得た水が蒸発して蒸気になる
ことのできる圧力であって、その圧力になるようにスク
リュー式水蒸気圧縮機１６により吸引される。発生した
蒸気は、配管２８を通ってスクリュー式水蒸気圧縮機１
６に吸引され、そこで所定圧に昇圧されて蒸留塔１２の
底部に加熱源として供給される。

【００１３】外部の蒸気ボイラー４０から配管３２を介
して供給された蒸気は、開閉弁３４Ａ及び／又は３４Ｂ
の開放により蒸気膨張機２０Ａ及び／又は２０Ｂに導入
され、スクリュー式水蒸気圧縮機１６の駆動動力源とな
り、自己は圧力降下し所定圧力の低圧蒸気となって、そ
れぞれ他の蒸留塔４２、４４に開閉弁３６及び３８を介
して供給される。

【００１４】低圧蒸気の所要量が多いとき、例えば蒸留
塔４２、４４の双方を運転する時には、開閉弁３４Ａ、
Ｂの双方を開放して蒸気膨張機２０Ａ、Ｂの双方を運転
し、所要量に見合う量の蒸気を低圧蒸気に膨張させ、低
圧蒸気の所要量が少ないとき、例えば蒸留塔４２、４４
のいずれか一方のみを運転する時には、開閉弁３４Ａ、
Ｂのいずれか一方のみを開放して蒸気膨張機２０Ａ、Ｂ
のいずれか一方のみを運転し、少ない所要量に見合う量
の蒸気を低圧蒸気に膨張させる。低圧蒸気の所要量に較
べてスクリュー式水蒸気圧縮機１６の負荷が大きく、１
台又は２台の蒸気膨張機２０の動力だけでは不足する場
合には、電気モータ２４は補助駆動装置として蒸気膨張
機２０と連動して駆動する。逆に、低圧蒸気の所要量に
較べてスクリュー式水蒸気圧縮機１６の負荷が小さく、
１台又は２台の蒸気膨張機２０の動力でも過剰になる場
合には、電気モータ２４は発電機として働いて蒸気の熱
エネルギーを電気エネルギーに変換する。本実施例で
は、蒸気膨張機２０Ａ及び２０Ｂから出た蒸気は、それ
ぞれ開閉弁３６及び３８を介して蒸留塔４２及び４４に
直接個別に供給される方式になっているが、必ずしもこ
の方式による必要はなく、例えば蒸気膨張機２０Ａ及び
２０Ｂから出た蒸気を１本の蒸気ヘッダーに合流させ、
次いで開閉弁３６、３８の開閉によりそれぞれ所定の場
所、例えば他系列の蒸留塔４２、４４に供給するように
することもできる。尚、蒸留塔４２、４４には、それぞ
れの塔頂留分を凝縮させるために冷却水の顕熱で冷却す
るようにされた通常の凝縮器４６、４８が設けてある。

【００１５】本実施例装置１０を運転した実験データを
以下に記載する。 実験例１ 実験例１は、低圧蒸気の所要量が少ないため蒸気膨張機
２０Ａのみを駆動させた場合である。蒸留塔１２の塔頂
から留出した温度８０°C のアルコール蒸気は、凝縮／
蒸発器１４で０．４５ata 、７８°C の蒸気を５．８T/
Hr蒸発させた。蒸発した蒸気をスクリュー式水蒸気圧縮
機１６により１．３４ata 、１０８°Cに昇圧し、蒸留
塔１２の底部に加熱源として供給した。一方、蒸気ボイ
ラーで１４ata の蒸気４．８T/Hrを発生させて、蒸気膨
張機２０Ａに導入し１．８ata の出口圧力まで膨張さ
せ、スクリュー式水蒸気圧縮機１６の駆動用動力を発生
させた。蒸気膨張機２０Ａから出た１．８ata の蒸気
４．８T/Hrを他系列の蒸留塔装置に供給した。尚、蒸気
膨張機２０Ａの動力だけではスクリュー式水蒸気圧縮機
１６の負荷に対し不足なので補助駆動機の電気モータを
駆動させ、電力４００Kwを消費した。

【００１６】図２に示す従来型の蒸留塔装置を使用して
その他は実験例１と同じ運転条件で比較データを採取し
た。蒸留塔１２及び弁５８、６０を介して他系列の蒸留
塔装置に蒸気を供給するために、１０．６T/Hrの蒸気量
を蒸気ボイラーで発生させる必要があった。蒸気単価を
２，５００円／Ton 、電力単価を１５円／Kwｈとして経
済試算を行うと、従来の装置に対して蒸気ボイラー発で
の生蒸気量が５．８T/Hr（１０．６−４．８＝５．８）
削減され、電力消費量が４００Kwｈ増大しているので、
差引８，５００円／Hrのコスト削減が可能になり、従来
のユーティリティコストの３２％を削減できた。

【００１７】実験例２ 実験例２は、低圧蒸気の所要量が多いため２台の蒸気膨
張機２０Ａ、Ｂを駆動させた場合である。凝縮／蒸発器
１４とスクリュー式水蒸気圧縮機１６とから構成される
ヒートポンプの運転条件は、実験例１と同じであった。
蒸気ボイラーでは７．４T/Hrの蒸気を発生させ、４．８
T/Hrを蒸気膨張機２０Ａに２．６T/Hrを蒸気膨張機２０
Ｂに導入し、動力を発生させて低圧蒸気に膨張させた。
尚、蒸気膨張機２０Ａ、Ｂの動力だけではスクリュー式
水蒸気圧縮機１６の負荷に対し不足なので補助駆動機の
電気モータを駆動させ、電力２５０Kwを消費した。一
方、 図２に示す従来型の蒸留塔装置では全蒸気量とし
て１３．２T/Hrを必要とし、その蒸気量を蒸気ボイラー
で発生させた。実験例１と同様にして経済試算を行う
と、従来の装置に対して蒸気ボイラーでの蒸気発生量が
５．８T/Hr（１３．２−７．４＝５．８）削減され、電
力消費量が２５０Kwｈ増加しているので、差引１０，８
００円／Hrのコスト削減が可能になり、従来のユーティ
リティコストの３３％を削減できた。

【発明の効果】本発明は、凝縮／蒸発器とスクリュー式
水蒸気圧縮機とからなるヒートポンプと、複数台の蒸気
膨張機と一方向クラッチ付平行ギアと電気モータとを有
するヒートポンプ駆動装置とを組み合わせたことによ
り、第１にはヒートポンプにより、蒸留塔装置の塔頂留
分の熱を蒸気に変えて回収し、その回収蒸気量だけ蒸気
ボイラーでの蒸気発生量を低減することを可能にし、第
２にはヒートポンプ駆動装置に複数台の蒸気膨張機と電
気モータとを備えて低圧蒸気の所要量の多少に応じてヒ
ートポンプ駆動用蒸気膨張機の運転台数を調整すること
により、かつ補助駆動機又は発電機として機能する電気
モータにより過不足の動力を調整することにより、蒸気
ボイラーで発生した蒸気の熱エネルギーを動力源として
完全に回収しながら高い熱効率で低圧蒸気に降圧する。
この結果、アルコール蒸留装置のユーティリティコスト
を約３０％削減することが可能になる。よって、本発明
は、温度レベルの低い塔頂留分の熱を回収し、かつ蒸気
ボイラーで発生した蒸気を有効に利用することにより、
運転費の低いアルコール蒸留装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】、は本発明に係る２基以上の蒸留塔装置を有す
るアルコール蒸留装置の一部の系統図である。

【図２】、は２基以上の蒸留塔装置を有する従来のアル
コール蒸留装置の一部の系統図である。

【符号の説明】

１０ 本発明に係る実施例の蒸留塔装置 １２、４２、４４ 蒸留塔 １４ 凝縮／蒸発器 １６ スクリュー式水蒸気圧縮機 １８ 駆動装置 ２０ 蒸気膨張機 ２２ 一方向クラッチ付平行ギア ２４ 電気モータ ３４、３６、３８ 開閉弁 ４０ 蒸気ボイラー ４６、４８ 凝縮器 ５０、６０、７０ 蒸留塔 ５２、６２、７２ 凝縮器 ５４、６４、７４ 開閉弁 ５６ 蒸気降圧弁 ５８ 蒸気ボイラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 健彦 千葉県千葉市小仲台８丁目12番 ２ー307 号 (72)発明者 若林 正浩 千葉県浦安市富岡３丁目３番Ｅ308号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２基以上の蒸留塔装置を有するアルコー
   ル蒸留装置において、 前記２基以上の蒸留塔装置のうちの少なくとも１基の蒸
   留塔装置は、蒸留塔の塔頂留分と冷却水との熱交換によ
   り蒸気を発生する凝縮／蒸発器と、前記発生した蒸気を
   昇圧するスクリュー式水蒸気圧縮機と、及び前記スクリ
   ュー式水蒸気圧縮機の駆動装置とを備え、 前記駆動装置は、複数台の蒸気膨張機と、これら蒸気膨
   張機の少なくとも１台を前記スクリュー式水蒸気圧縮機
   に連結できる一方向クラッチ付平行ギアと、前記スクリ
   ュー式水蒸気圧縮機と前記一方向クラッチ付平行ギアと
   の間に設けられた電気モータとを有することを特徴とす
   る２基以上の蒸留塔を有するアルコール蒸留装置。
2. 【請求項２】 前記複数台の蒸気膨張機のそれぞれの容
   量の比率が、等比数列の比であることを特徴とする請求
   項１に記載の２基以上の蒸留塔装置を有するアルコール
   蒸留装置。