JP2006043701A - 懸濁液分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従前のハイドロサイクロン分離機と比べて原理的に単純な構成でしかも円形沈殿池とは異なって加圧下での利用にも適した懸濁液分離装置を提供する。
【解決手段】 主容器（１）の内部に内側容器（２）を配置した懸濁液分離装置。主容器（１）は円錐状底部を有し、内側容器（２）は下方に開口した円錐体を有する。内側容器（２）には偏心配置された懸濁液流入管（３）が連通し、難沈降性固形物を含有した液体のための流出口（５）が分離装置の頭部に設けられ、沈降した固形物及び／又は汚泥のための排出部（４）が主容器（１）の円錐状底部の領域に設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は懸濁液分離装置に関するものである。

化学工業プロセスにおいては、懸濁液の易沈降性固形物と難沈降性固形物とを相互に分離しなければならないことが多い。特に、懸濁液、例えば汚泥、原汁、凝縮液等を生物学的に処理するためにバイオ反応器を運転する場合、バイオ反応器内での沈降堆積の結果としてしばしば設備管理上の諸問題が生じる。例えば腐敗タンク、発酵反応器等は、設備投資の面で一層好ましいという理由から通常は扁平又は僅かに円錐状の底を備えた構造で建設される。このようなバイオ反応器は、分解プロセスを最適化し、且つ沈降性物質の沈積を抑制するために循環システムを有している。これらの循環システムは極めて多様な方式で構成することができる。例えば特許文献１に述べられているバイオ反応器では、反応器内容物が中央案内管を介してガス圧入によって循環される。外部戻し管路を有する諸システムも公知であり、懸濁液は反応器から排出され、所要の個所で再び反応器に戻される。
国際公開第ＷＯ９８／０５８０７３号パンフレット

プロセス内の障害（ポンプ及び送風機の故障、修理及び整備作業）や、更には持ち込まれる物質自体の種類によっても沈降物が生じるが、現状において沈降物は一旦沈降したら通常の運転中に反応器から取り出すことができないか、或いは不充分にしか取り出すことができない。これは、特に供給されるエネルギーが通常の条件下で多相混合物を均質に保つには充分ではあるが、相分離された系は一部を再び均質化できるだけであることに起因する。これにより、運転中の時間経過に伴って徐々に沈降堆積が強まることになる。従って運転手引書で必ず要求されているのは相応する時間間隔で反応器を開いて清掃することであり、これはかなりの人的及び費用的な負担と結び付いており、しかも大幅な運転制限（受入れ能力、反応器液体の貯蔵もしくは廃棄の低減、等）をもたらす原因ともなっている。

市町村における下水処理分野での類似した課題のための円形沈殿池は以前から知られており、これらのシステムは一般に開放式であり、従って加圧なしに利用するように構想されている。

他方で、この利用事例に関してハイドロサイクロン分離機が過去にも現在でも繰返し論議されている。しかしながらその利用は、一般的に市場で入手可能なシステムが本質的に微小粒子径の懸濁物に対して極めて高い分離精度を有し、上述の利用事例のための高性能システムとしては大袈裟すぎるとして除外されたことで挫折している。

発酵反応器内容物質の沈降性は分解プロセスの過程で著しく高まることから、これらの物質を攪拌又はポンプ移送することによって沈殿を防止するにはかなりのコスト負担が必要となる。このため、特許文献１に述べられているようなループ型気泡反応器では一般に３個以下のノズルを備えた遠心ポンプが利用され、各ノズルは反応器の周方向に均一に分布配設されている。標準的には反応器排出部と循環管路は分離されている。底部での循環のための処理液の排出は底から約２ｍの高さの反応器壁面から行われ（循環ポンプの摩耗減少）、反応器からの本来の処理液の排出は相応に小寸法に設計された管路によって反応器の中心軸上から行われる。この配置では、その都度作動するノズルと固定取出個所に対するノズルの相対位置とに依存して反応器内部に不規則な流れパターンが生じることが欠点である。更に、底部における循環系の作動時に腐敗物が取り出されない場合（断続的汚泥排出、例えば週末の休止）は依然として沈降物が堆積する危険がある。

本発明の課題は、従前のハイドロサイクロン分離機と比べて原理的に単純な構成でしかも円形沈殿池とは異なって加圧下での利用にも適した懸濁液分離装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば、主容器の内部に内側容器を配置した懸濁液分離装置、特に主容器が円錐状底部を有すると共に内側容器が下方に開口した円錐体を有し、内側容器には偏心配置された懸濁液流入管が連通し、難沈降性固形物を含有した液体のための流出口が分離装置の頭部に設けられ、沈降した固形物及び／又は汚泥のための排出部が主容器の円錐状底部の領域に設けられていることを特徴とする懸濁液分離装置によって解決される。好ましくは主容器と内側容器は実質的に円筒形に形成される。

本発明は以下の基本理念に基づいている。

即ち、特にバイオ反応器において現れる反応器内での沈降堆積に関する諸問題は、実質的に生物学的分解プロセスが懸濁液の希釈を引き起こすことに帰すことができる。つまり沈降物の分離効果はプロセスに起因して抑制することができないので、分離プロセスを空間的に限定し、沈降物を好適な個所で（準）連続的に反応器から除去することを達成できるようにする必要がある。このようにして本来の反応器を沈降物の集積から保護し、循環用のエネルギー支出を低減させる。従って、重要な課題は前述の利用事例のための排出システムを最適化して、既に沈降した内容物質を反応器から取出すこともできるようにすることである。これにより、反応器の基本浄化サイクルを著しく減らすことができ、運転コストを極端に下げることができる。更に、循環システムが摩耗から保護され、反応器内への相応する粒子の再導入が防止される。従って技術的な解決策としては、ハイドロサイクロンシステムと円形沈殿池システムの種々の長所を統合し、密閉システムの内部において例えば１〜５バールの圧力下で運転可能とする必要があるのである。

懸濁液流入管は、その開口部の軸心が内側容器の周壁の接線方向に沿うように内側容器に連通しており、それによって流入流れで内側容器内に循環流が生成されるようになっている。この場合、懸濁液流入管は更に主容器の底部軸心に対して傾いていることが好ましい。主容器の円錐状底部は、その漏斗先端部で閉鎖端を形成していることが望ましい。

懸濁液流入管は、好ましくはその内側容器との連通開口部に絞り又はノズルを備えている。また、難沈降性固形物を含有した液体のための流出口は有利には内側容器の上部開口に向けて円錐状又はトランペット状の蓋として構成されている。主容器内部へ最適なアクセができるように、この流出口を取外し可能な蓋として構成しておくことも好ましいことである。

本発明の特に好適な一実施形態によれば、分離装置はバイオ反応器から沈降物を分離するために利用される。この場合、懸濁液流入管は、生物学的に分解可能な物質を含有した媒体を生物学的に処理するためのバイオ反応器の底部排出系に接続される。このような設備の運転に際して、懸濁液は通常は分離装置に対して恒常的に僅かな勾配を有する底部部排出系を介してバイオ反応器から流出する。この懸濁液は、ハイドロサイクロンと同様に分離装置の内側容器内へ接線方向に沿って直接導入され、しかもその流入方向は容器の底部軸心に対して好ましくは僅かに上向きに傾けておくことが肝要である。これにより両容器内が懸濁液で満たされると共に内側容器の内部に螺旋状の上向き流れが生じる。懸濁液中の比較的重い沈降物粒子は、内側容器の下部開口から主容器底部の漏斗先端部へと直接沈降させることができる。この沈降作用は、分離装置を通過する流れが比較的低流速の場合に達成される。螺旋状の上向き流れの内部では重い粒子が密度差に基づいて遠心力の作用で径方向外方へ移動する。従って内側容器の上縁部では先ず重い粒子が内側容器内から主容器内周壁との間の環状室内に移動する。この上縁部における径方向外方への流路横断面の拡大により重い粒子を多く含む径方向外方への流れの流速が低下し、従って重い粒子は環状室内を下部へ向かって容易に沈下する。内側容器の上部開口よりも上方へは、螺旋状の上向き流れの主にコア部分の流れが円錐状もしくはトランペット状の蓋の内壁に沿って上昇するにつれて上端に位置する流出口の直径にまで徐々に絞られ、流出口から外部の排出管路へと導かれる。一方、主容器の底部からは高濃度に分離された沈降物が連続的又は準連続的に除去され、このための汚泥排出管路は、主容器底部の漏斗先端部及び円錐状底部から内側容器の外側、即ち主容器内壁との間の環状室内を介して主容器外部の吸引設備に導びいておくことができる。

難沈降性固形物を含有した液体のための流出口は、好ましくは戻り管路を介してバイオ反応器と結合される。このようにして、一方では汚泥排出管路を介して易沈降性固形物を含有した汚泥を連続的又は随時的に分離装置から取り出すことができ、他方で戻り管路を介して難沈降性固形物を含有した液体をバイオ反応器内へ確実に還流させることが可能となる。

本発明による分離装置は、発酵反応器における沈降物の分離に特に有利に利用可能である。この場合のバイオ反応器は、生ごみを好ましくは連続的又は準連続的に発酵処理するための発酵反応器として構成される。

バイオ反応器に至る戻り管路には再循環ポンプが介装されているのが通常であり、従って本発明による分離装置と組み合わせる場合、この再循環ポンプは好ましくは乾式設置の浸漬型モータポンプとして分離装置の流出口に直接取付けることができる。

懸濁液流入管は、重い粒子にとっての内側容器壁面に至るまでの路程長を短縮するために非円形開口断面のノズルを有していてもよい。更に、内側容器は摩耗で消耗する交換可能な部品として構成しておくこともできる。

本発明の主な効果を列挙すれば以下の通りである。

即ち、比較的浅い円錐底を有する反応器においても本発明による分離装置を利用することによって易沈降性物質を含有する媒体であっても過度に頻繁な運転障害を生じることなく経済的に処理することが可能となる。この場合、本発明による分離装置が有するサイクロン分離機としての主な特徴が活用され、腐敗汚泥処理の分野での利用を困難にする諸欠点が解消される。これによって得られる実質上の利点は、圧力損失の低減、従って処理液の恒常的な循環を伴う場合の運転コストの低減である。更に、主容器上部の流出口部分におけるガスの集積を防止することもできる。また、本発明によればサイクロン分離機としての諸利点が円形沈殿池もしくは流動層反応器の諸利点と組合せられ、それらの諸欠点が現れることはない。分離装置全体としては一層コンパクトで且つ保守等のために内部に完全にアクセス可能な構成を提供することができ、しかも分離装置を密閉システムとして例えば１〜５バールの内圧で利用することも可能である。更に沈降物を排出するために分離装置をバイオ反応器と組合せる場合も、分離装置はバイオ反応器の完全に外部に配置しておくことが可能である。

本発明の最適な実施形態を図示の実施例と共に説明すれば以下の通りである。

図１〜図４には、本発明の一実施例に係る懸濁液分離装置が様々な視点から示されている。各図において、対応する個々の部材にはそれぞれ同一の符号を付してある。この分離装置は外側の主容器１を有し、主容器の内部には図示しないステーにより内側容器２が交換可能に同軸配置されている。主容器１と内側容器２は実質的に同心状の円筒形容器であり、主容器１は円錐状底部と閉鎖端を形成した漏斗先端部７とを備え、内側容器２は下向きに開口した円錐体を下部に連設してなる。内側容器２の上部開口縁部は主容器の上縁よりも下位に位置し、主容器１の内周壁と内側容器２の外周壁との間には主容器内部の上部から底部まで連通する環状室８が形成されている。内側容器２には、主容器周壁を貫通している懸濁液流入管３が環状室８を介して僅かに上向きに接線方向に沿って連通するように偏心配置されており、この流入管３の先端部、即ち内側容器内部への連通開口部は、図２に示すように許容圧力損失に応じて所望の噴出流速が得られるように絞り又はノズルとして構成されている。主容器１の頭部は上蓋６で閉じられており、上蓋６の上端部には難沈降性固形物を含有する液体のための流出口５が設けられている。上蓋６は円錐状又はトランペット状に下部の内側容器２へ向かって徐々に拡径し、その下端の開口径は内側容器２の直径に適合されている。上蓋６は、保守等の目的で主容器１内の各部へ容易にアクセスできるように完全に取外し可能であり、上蓋を取り外した状態では図４に示すように主容器１の上部開口は完全に開放される。主容器１の円錐状底部の領域には易沈降性固形物を高濃度で含有した汚泥のための排出管路４が設けられ、図示の実施例ではこの排出管路４は主容器１の円錐状底部内の漏斗先端部７の近傍から内側容器２の外側、即ち環状室８内を介して主容器１の外周壁を貫通し、外部の接続端に達している。

この分離装置をバイオ反応器から沈降物を分離するために利用する場合、流入管３は、生物学的に分解可能な物質を含有した懸濁液を生物学的に処理するための図示しないバイオ反応器の底部排出系に接続される。バイオ反応器から流出してくる懸濁液は、サイクロン分離器として機能する分離装置の内側容器２内へ接線方向に沿って僅かに上向きに導入される。これにより主容器１及び内側容器内が懸濁液で満たされると共に内側容器２の内部に螺旋状の上向き流れが生じる。分離装置を通過する懸濁液の流れが比較的低流速であれば、懸濁液中の比較的重い沈降物粒子は内側容器２の下部開口から主容器底部の漏斗先端部７へと直接沈降する。螺旋状の上向き流れの内部では重い粒子が密度差に基づいて遠心力の作用で径方向外方へ移動する。内側容器２の上縁部では先ず重い粒子が内側容器２と主容器１との間の環状室８内に移動する。この重い粒子を多く含む径方向外方への流れの流速は、内側容器２の上縁部における径方向外方への流路横断面の拡大により低下し、従って重い粒子は環状室８内を下部へ向かって沈下する。内側容器２の上部開口よりも上方へは、螺旋状の上向き流れの主にコア部分の流れが円錐状もしくはトランペット状の蓋の内壁に沿って上昇するにつれて上端の流出口５の直径にまで徐々に絞られ、流出口５から外部の戻り管路を介して再びバイオ反応器の流入系へ環流となって戻される。主容器１の底部からは排出管路４を介して高濃度に分離された沈降物が連続的又は準連続的に外部吸引装置へ吸引除去される。

本発明の一実施例に係る懸濁液分離装置を正面から見た縦断面図である。 図１に示した分離装置の左側面図である。 図１に示した分離装置を斜め右上から見た斜視図である。 図１に示した分離装置の蓋を開けた状態における平面図である。

Claims (11)

1. 主容器（１）の内部に内側容器（２）を配置した懸濁液分離装置であって、前記主容器（１）は円錐状底部を有すると共に内側容器（２）は下方に開口した円錐体を有し、内側容器（２）には偏心配置された懸濁液流入管（３）が連通し、難沈降性固形物を含有した液体のための流出口（５）が分離装置の頭部に設けられ、沈降した固形物及び／又は汚泥のための排出部（４）が主容器（１）の円錐状底部の領域に設けられていることを特徴とする懸濁液分離装置。
2. 主容器（１）と内側容器（２）が実質的に円筒形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の懸濁液分離装置。
3. 懸濁液流入管（３）が接線方向に沿って内側容器（２）に連通していることを特徴とする請求項１又は２に記載の懸濁液分離装置。
4. 懸濁液流入管（３）が主容器（１）の底部軸心に対して上向きに傾いていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の懸濁液分離装置。
5. 主容器（１）の円錐状底部が漏斗先端部（７）で閉鎖端を形成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の懸濁液分離装置。
6. 懸濁液流入管（３）が内側容器との連通開口部に絞り又はノズルを備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の懸濁液分離装置。
7. 流出口（５）が内側容器（２）の上部開口に向けて延在する円錐状又はトランペット状の蓋（６）として構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の懸濁液分離装置。
8. 流出口（５）が取外し可能な蓋（６）として構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の懸濁液分離装置。
9. 懸濁液流入管（３）が、生物学的に分解可能な物質を含有した媒体を生物学的に処理するためのバイオ反応器の底部排出系に接続されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の懸濁液分離装置。
10. 難沈降性固形物を含有した液体のための流出口（５）が戻り管路を介してバイオ反応器と結合されていることを特徴とする請求項９に記載の懸濁液分離装置。
11. バイオ反応器が生ごみを発酵処理するための発酵反応器として構成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の懸濁液分離装置。
    

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