JP2008229424A - 減圧蒸留装置 - Google Patents

Abstract

【課題】海水の淡水化等に好適な新規な構成の減圧蒸留装置を提供すること。
【解決手段】液状原料を加熱して蒸発・凝縮させる蒸留塔１２と、蒸留塔１２内を減圧させるエジェクタ４１とを備えた減圧蒸留装置。蒸留塔１２は、首部１４ａを有するフラスコ状の蒸発缶１４と、該蒸発缶１４内の液状原料を蒸発させる加熱手段である加熱媒体流通部材３０と、蒸発缶１４の首部１４ａ外周に配される凝縮器１６とを備えている。凝縮器１６の上方を塔頂カバー体２０で密閉的に覆って蒸気流れ反転部２２を形成するとともに、蒸発缶１４の肩部１４ｂと凝縮器１６との間を中段筒体２４で密閉的に覆って凝縮液受部２６を形成する。凝縮液受部２６には、凝縮液排出位置より上方にエジェクタ４１の吸引口を接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固形成分を含有する液状原料を、加熱して液成分（蒸発成分）を減圧下で蒸発させて濃縮液若しくは固形分を一次製品とし、及び／又は、蒸発成分を凝縮液として回収分離して二次製品とする減圧蒸留装置に関する。

ここでは、海水の淡水化装置に適用する場合を例に採り説明する。本発明の減圧蒸留装置は、海水の淡水化にかぎらず、例えば、油や水の蒸留、廃液の濃縮減容、果汁や合成反応液の濃縮、その他各種液体の蒸留処理乃至蒸発処理に適用できる。

海水淡水化装置として、例えば、特許文献１〜４に示すようなものが提案されている。

特許文献１では、太陽熱集熱器からの熱源を利用する技術、高分子モジュール（高分子膜）に真空装置（水ジェットポンプ）を接続して塩水を脱気（腐食抑制及び伝熱悪化の防止の見地）する技術が記載されている。（要約等参照）
特許文献２では、減圧蒸発器で海水を蒸発させて、得られた水蒸気を凝縮器で凝縮させ淡水を得る方法において、減圧蒸発器内に導入した海水の一部を分岐して該蒸発器の上部からシャワーリングして蒸発効率を上昇させる技術が記載されている。本技術では、減圧装置への海水導入及び水蒸気の凝縮器への導入は、いずれも真空ポンプで行っている。（要約等参照）
特許文献３では、海水温排水を、減圧された容器内にノズルを介して噴出することによって、その一部を蒸発させる蒸発器と、海水を冷却水として使用する熱交換器である凝縮器（シェルプレート式）とを備え、蒸発器で発生した蒸気を減圧状態に維持すると同時に淡水を得る海水淡水化装置に係る改良技術が記載されている。（要約等参照）
特許文献４では、真空蒸発室内の海水を、加熱器にて加熱することによって沸騰蒸発させ、該水蒸気を多管式の凝縮器にて凝縮して淡水を製造する真空蒸発式造水装置に係る改良技術が記載されている。（要約等参照）

特開2000−325949号公報 特開平11−216459号公報 特開平9−108653号公報 特開平6−254534号公報

本発明は、上記従来技術に開示若しくは示唆されていない、海水の淡水化等に好適な新規な構成の減圧蒸留装置を提供することを目的とする。

本発明の減圧蒸留装置は、上記課題（目的）を、下記構成により解決する。

液状原料を加熱して蒸発・凝縮させる蒸留塔と、前記蒸留塔内を減圧させる減圧手段とを備えた減圧蒸留装置であって、
蒸留塔は、首部を有するフラスコ状の蒸発缶と、該蒸発缶内の液状原料を蒸発させる加熱手段と、蒸発缶の首部外周に配される凝縮器とを備え、
凝縮器の上方が塔頂カバー体で密閉的に覆われ蒸気流れ反転部が形成されているとともに、蒸発缶の肩部と凝縮器との間が中段筒体で密閉的に覆われ凝縮液受部が形成され、
凝縮液受部には、凝縮液排出位置より上方に減圧手段の吸引口が接続されている、ことを特徴とする。

上記構成により蒸発缶で加熱により発生した蒸気はフラスコの首部で圧縮される。このため蒸気中に含まれる液滴があっても凝集落下して飛沫同伴が発生し難い。したがって、液滴を介して塩分（溶質）が凝縮器を通過する可能性が低減する。よって、凝縮器の腐食が促進されないとともに、蒸留効率（精製・分離効率）が良好となる。また、凝縮器を蒸発缶の首部外周に配することにより、装置全体のコンパクト化が可能となる。更に、首部から上昇流出する蒸気を凝縮器側へ、強制的に反転吸引することにより蒸留効率（蒸発・凝縮効率）が向上する。

本発明を、方法のカテゴリーで表現すると、下記のような構成となる。

液状原料を減圧蒸留する方法であって、蒸発缶に液状原料を投入して加熱することにより発生した蒸気を、一以上の縮径通路を通過させた後、該縮径通路の外周に設置した凝縮器に、該凝縮器下側からの吸引により導入して凝縮液を得ることを特徴とする。

以下、本発明の（減圧）蒸留塔を海水淡水化装置に適用した場合について、説明する（図１参照）。

減圧蒸留塔１２は、基本的には、首部（縮径通路）１４ａを有するフラスコ状の蒸発缶（蒸気釜：ボイラー）１４と、蒸発缶１４の首部１４ａ外周に配される凝縮器（表面凝縮器：熱交換器）１６と、該凝縮器１６の上方に配される散水ノズル（散液ノズル）１８とを備えている。

具体的には、凝縮器１６の上方が散水ノズル１８を含めて塔頂カバー体２０で密閉的に覆われ蒸気流れ反転部２２が形成されているとともに、蒸発缶１４の肩部１４ｂと凝縮器１６との間が中段筒体２４で密閉的に覆われ凝縮水受部（凝縮液受部）２６が形成されている。

ここで、減圧蒸留塔１２は、円筒状とするが、多角筒状、矩形（異形）筒状であってもよい。また、首部１４ａは、図例では、１個であるが複数個であってもよい。

また、蒸発缶１４の首部（縮径部）１４ａと胴部（大径部）１４ｃとの縮径比は、首部が１個の場合、前者／後者＝1/1.5〜1/5、より普通には、1/2〜1/3とする。

そして、首部１４ａの長さは、少なくとも胴部１４ｃの高さより、長いものとする。長い方が、水蒸気中の水滴が蒸発缶１４の外へ飛沫同伴されて凝縮器１６へ流入するのを防ぐ作用を奏する。水滴のまま凝縮器１６へ流入すると、水滴中に塩分が含まれているため、凝縮器１６を腐食させ、さらには、凝縮水中に塩分が混入する（無塩分の純水を得難くなる。）。

また、水蒸気が圧縮されながら上方へ加速されて通過後、蒸留塔１２頂部の蒸気流れ反転部２２で、断熱的に膨張して蒸気の温度低下が生じて、蒸気の凝縮促進に若干の寄与も期待できる。

具体的には、蒸発缶１４の胴部１４ｃ内径：0.5〜10ｍ、首部１４ａ内径：0.1〜2ｍ、首部１４ａ長さ：0.5〜15ｍの範囲で、原料液体の種類、要求処理量等に応じて、適宜、設定する。

蒸発缶１４は、本体外壁２８を断熱構造とし、本体外壁２８の内側に加熱手段を配する。

具体的には、上記断熱構造は、セラミック等の断熱材でキャスター成形してもよいが、ステンレス板等で二重壁密閉構造（魔法瓶的構造）として空気層としたり、乃至、グラスファイバー、石膏等の断熱材を充填したりしてもよい。

なお、蒸発缶１４の本体外壁２８は、エネルギー効率（蒸発効率）の見地から断熱構造としてあるが、必然的ではない。例えば、首部（縮径通路）１４ａを断熱構造としない場合、首部１４ａの外周に凝縮器１６が配されるため、蒸気が部分的に還流して蒸発缶１４の胴部に戻りやすくなる。結果的に、飛沫同伴による液滴が凝縮器１６に流入し難くなる。

加熱手段は、加熱媒体流通部材（熱接触管）３０とされている。図例では、外壁の内側全面に形成された内側ジャケット３０ａと、該内側ジャケット３０ａの対向面間を縦横に連通管部３０ｂで蒸発を阻害しない密度でつないだ構造としてある。連通管部３０ｂの形態は、格子状、螺旋状、リング状、多孔板状、等任意であり、図例のものに限定されない。

なお、加熱媒体としては、水蒸気、熱風、温水、熱媒油、等任意である。図例では、蒸気配管と接続されるようになっている。

加熱手段は、上記加熱媒体流通部材３０に限られず、慣用の加熱手段を使用できる。例えば、加熱媒体流通部材の形状の鋳込みヒータに置き換えたり、蒸発缶１４を、バーナ、抵抗加熱、誘導加熱等で外部加熱したり、シールドヒータ、蒸気吹き込み、マイクロ波、等で内部加熱してもよい。

蒸発缶１４の水位は、海水（液状原料）を投入する水位調節槽（液位調節槽）３２と連通されて水位（液位）調節可能とされている。すなわち、水位調節槽３２は、水封板（液封板：バッフルプレート）３４により蒸発缶１４との連通側が海水投入側から密封（水封：液封）され、海水投入側（大気側）に配された溢流管（オーバフロー管）３６の受け口３６ａの高さで、水位（液位）を調節可能とされている。

散水ノズル(散液ノズル)１８と凝縮水受部２６との間は、一次凝縮水貯留槽３８を介して、還流用ポンプＰ１を備えた部分還流配管２７で接続されている。

この部分還流により、凝縮水（凝縮液）の純水化（純度向上）、及び、蒸気を凝縮水（冷却水）と接触させる混合冷却による凝縮促進を期待できる。ここで、還流比、即ち、凝縮水発生量に対する還流凝縮水の比率は、1/10〜1/4の範囲で適宜設定する。

凝縮水受部２６から凝縮水を、一次凝縮水貯留槽３８を経ずに、直接、散水ノズル１８へ還流させてもよい。

また、散水ノズル１８の形態も、図例のリング管の下面に所定ピッチで散水穴を形成したものでなくてもよい。例えば、散水穴を上面に設けたり、蒸発缶１４の首部１４ａの上方中心部に上向きの散水ノズルを一個設けたりしてもよい。

一次凝縮水貯留槽３８は、密閉構造の真空槽とされ、溢流管（オーバフロー管）４０の受け口４０ａの高さで、液位（水位）を調節可能とされている。

更に、一次凝縮水貯留槽３８の溢流管４０から溢流する凝縮水は二次凝縮水貯留槽４２で受け可能となっている。該二次凝縮水貯留槽４２は、一次凝縮水貯留槽３８からの溢流管４０接続側が、凝縮水排出口（溢流口）４４側と水封板（液封板）４６で液封されて密閉構造とされている。

上記凝縮器１６は、図例では、蒸気を通過させる多管（チューブ）１６ａを、冷却媒体を通過させるドーナツ体１６ｂ内に配した多管式となっている。そして、凝縮器１６の出口が冷却塔（冷水搭）１７の戻り口と戻り配管１７ａで、同入口が冷却塔１７の吐出口と冷却媒体循環ポンプＰ２を備えた往き配管１７ｂで接続されている。なお、冷却塔１７に接続せずに、海水を冷却媒体として循環させてもよい。

凝縮器１６の方式は上記多管式に限られない。ドーナツ式、プレート式、蛇腹式、シェルプレート式又はそれらの複合式、等、慣用の方式とすることができる。冷却媒体も、水に限られず、オイルや冷風であってもよい。さらに、凝縮器１６を縦方向に水蒸気が流入可能な多管乃至多管プレートとし、該多管乃至多管プレートにエアを吹き付ける、いわゆる空冷ラジエータ構造としてもよい。

そして、減圧手段は、一次凝縮水貯留槽３８に取り付けたエジェクタ（水ジェットポンプ）４１とされている。該エジェクタ４１の第一流体入口４１ａには、還流用ポンプＰ１で凝縮水を圧入可能に、部分還流配管２７の分岐配管２７ａが接続されている。第二流体入口（吸引口）４１ｂには、凝縮水受部２６の外壁で凝縮水溢流口２６ａの上方に形成された位置に接続された吸引配管２４の他端が接続されている。尚、部分還流配管２７及び分岐配管２７ａには、それぞれ、流量調整弁ｖ１、ｖ２を備え、前述の還流比及び減圧度を調節可能となっている。

なお、本実施形態では、エジェクタ用ポンプは還流用ポンプＰ１と兼用としたが、それぞれのポンプを設けて別系統としてもよい。

上記エジェクタ４１で得られる減圧度（真空度）は、エジェクタ用ポンプ（還流用ポンプ）Ｐ１の能力（仕様）にもよるが、例えばポンプとして、口径：50A、揚程：30ｍ、吐出量：400Ｌ/min、動力：3.7ｋＷで、真空容量：0.3 ｍ³の場合、-600mmＨｇ（約150mmＨｇ：200 Ｐａ）の減圧度が得られる。この場合の水の沸点は、約60℃である。このため、加熱エネルギーを節減できるとともに、液状原料中に熱変質のおそれがあるものを含んでいても濃縮分離が可能となる。

ここで、減圧手段は、エジェクタに限られず、コンプレッサやブロア等の機械式真空ポンプであってもよい。さらに、減圧手段の蒸発装置への取り付け口も、凝縮水受部２６のみでなく、蒸気流れ反転部２２に取り付けてもよい。

次に、凝縮分離装置を使用しての海水淡水化方法について説明する。

先ず、水位調整槽３２に海水を連続供給する。すると、蒸発缶１４内に流入する海水（被処理液）の高さが一定に維持される。

そして、還流用ポンプＰ１及び冷却媒体循環ポンプＰ２を起動させ、更に、加熱媒体流通部材（加熱手段）内に加熱媒体（水蒸気）を通過させる。

すると、蒸発缶１４内の海水が加熱されるとともに、蒸発缶１４内は減圧される。そして、蒸発缶１４内が減圧度以上の蒸気圧を示す温度となると水蒸気が発生する。例えば、前述の減圧度200Ｐａの場合、60℃で、海水は沸騰する。

このとき、加熱媒体流通部材３０は、内側ジャケット３０ａの対向面間が縦横に連通部３０ｂで張り巡らされて形成されているため、被処理液体（原料）である海水との熱交換効率が良好であり、蒸発が促進される。

そして、水蒸気は首部（縮径通路）１４ａを上昇しようとするが、首部１４ｃでも加熱されるため、水蒸気は更に加熱加速されて上昇し、首部１４ｃ上端から蒸留塔１２塔頂の蒸気流れ反転部２２に流入する。このとき、水蒸気中に水滴が含まれていると、水蒸気が蒸発缶１４の首部１４ａで圧縮されることにより水滴相互が凝集し胴部に落下する。こうして、蒸発缶１４の首部１４ａの上端開口から水滴をほとんど含まない水蒸気が蒸気流れ反転部に流入する。

この蒸気流れ反転部２２では、凝縮水の部分還流の凝縮水（冷却されている）が散水される。該凝縮水の散水により蒸気が冷やされるとともに水滴（塩分をほとんど含まない。）を多く含んだ状態、すなわち凝縮し易い状態で凝縮器１６に流入する。

また、本実施形態では凝縮器１６の下側から減圧吸引する構成なので、重力作用と相俟って水蒸気が円滑に凝縮器１６内へ吸引されて流下する。こうして、水蒸気の凝縮が促進されることにより、更に、海水の蒸発（水蒸気化）も促進される。

こうして生成した凝縮水は、凝縮水受部２６から溢流口２６ａを超えると、該溢流口２６ａを経て一次凝縮水貯留槽３８に流入し、更に、一次凝縮水貯留槽３８から、溢流管４０を介して二次凝縮水貯留槽４２に流入する。そして、二次凝縮水貯留槽からは、飲料水とすることができる純水を回収できる。

また、蒸発缶１４の底部の濃縮液は、間欠的に濃縮液取出口２１から取り出して天日乾したり、液成分がなくなるまで蒸発させたりすれば、容易に天然塩（結晶塩）を得ることができる。

上記では海水の淡水化を例に採り、装置及び方法について説明したが、本発明の減圧蒸留装置は、海水の淡水化に限らず、他の水溶液、更には、有機溶媒（油）等を分散媒とするものも原料液とすることができる。

また、蒸留塔１２の塔頂カバー体２０を取り外して（上部を開放にして）、固形分含有液状原料を投入して加熱すれば、濃縮・乾燥も可能となる。この場合は、減圧手段は作動させない。

図２〜５に本発明の別の実施形態を示す。なお、各図において、図１の蒸留装置と同一部分については、同一図符号を付して、それらの説明は省略する。

図２は、２段に配列した実施形態である。４８は第一蒸留装置Ｄ１で発生した凝縮液を第二蒸留装置Ｄ２に移送する凝縮液移送管である。

この様に二段さらには多段に本発明の蒸留装置を配列した場合は、多段蒸留が可能となり、あらゆる混合液に適用可能となる。例えば、重質油から軽質油までのあらゆる原油の蒸留乃至分解まで可能である。

図３は、本発明の別の実施形態を示し、電気のない山奥等の僻地に適する蒸留装置である。

ソーラ発電機５０にて発電し、太陽熱温水器５２と併用する。そして、還流用ポンプＰ１、冷却媒体循環ポンプＰ２及び温水循環ポンプＰ３を、ソーラ発電機５０で発生する電気でそれぞれ稼動させる。そして、温水循環ポンプＰ３を用いて、太陽熱温水器５２と蒸留塔１２Ａの加熱媒体流通部材３０との間で、太陽熱温水器５２で生成する温水を循環させる。

図４は、蒸留塔１２Ｂにおける加熱媒体流通部材３０の下方にバーナ５６を備えた加熱炉５８を一体形成し、バーナ５６の燃焼により発生させた熱風を該加熱媒体流通部材３０内に流通させる。なお、６０は熱風排気筒である。

本発明の一実施形態を示す蒸留装置を淡水化装置に適用した例を示す流れ図である。 図１の蒸留装置を２列に直列した実施形態を示す流れ図である。 本発明の蒸留装置の他の実施形態を示す流れ図である。 同じくさらに他の実施形態を示す蒸留塔の概略断面図である。

符号の説明

１２、１２Ａ、１２Ｂ・・・減圧蒸留塔
１４・・・蒸発缶（ボイラー）
１４ａ・・・蒸発缶首部
１４ｃ・・・蒸発缶胴部
１６・・・凝縮器
１８・・・散水ノズル（散液ノズル）
２０・・・塔頂カバー体
２２・・・蒸気流れ反転部
２４・・・中段筒体
２６・・・凝縮水受部（凝縮液受部）
２８・・・蒸発缶の本体外壁
３０・・・加熱媒体流通部材

Claims (8)

1. 液状原料を加熱して蒸発・凝縮させる蒸留塔と、前記蒸留塔内を減圧させる減圧手段とを備えた減圧蒸留装置であって、
   前記蒸留塔は、首部を有するフラスコ状の蒸発缶と、該蒸発缶内の液状原料を蒸発させる加熱手段と、蒸発缶の首部外周に配される凝縮器とを備え、
   凝縮器の上方が塔頂カバー体で密閉的に覆われ蒸気流れ反転部が形成されているとともに、蒸発缶の肩部と凝縮器との間が中段筒体で密閉的に覆われ凝縮液受部が形成され、
   該凝縮液受部には、凝縮液排出位置より上方に前記減圧手段の吸引口が接続されている、
   ことを特徴とする減圧蒸留装置。
2. 前記加熱手段が、前記蒸発缶の内壁に形成された内部ジャケットの相互間が縦横に連通管で接続され加熱媒体流通部材により形成されていることを特徴とする請求項１記載の減圧蒸留装置。
3. 前記凝縮液受部から流出する凝縮液を密閉的に貯留する一次凝縮液貯留槽を、更に備え、該一次凝縮液貯留槽にエジェクタが取り付けられて減圧手段とされていることを特徴とする請求項１又は２記載の減圧蒸留装置。
4. 蒸留塔で発生した凝縮液を部分還流させて散液する還流散液手段を、更に備え、該還流散液手段の散液ノズルが蒸気流れ反転部に配されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の減圧蒸留装置。
5. 前記一次凝縮液貯留槽と前記散液ノズルとの間が還流配管で接続されていることを特徴とする請求項４記載の減圧蒸留装置。
6. 前記蒸発缶は、首部も含めて外壁が断熱構造とされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一記載の減圧蒸留装置。
7. 液状原料を減圧蒸留する方法であって、
   蒸発缶に液状原料を投入して加熱することにより発生した蒸気を、一以上の縮径通路を通過させた後、該縮径通路の外周に設置した凝縮器に、該凝縮器下側からの吸引により導入して凝縮液を得ることを特徴とする減圧蒸留方法。
8. 更に、前記凝縮液を部分還流させて、該凝縮液を前記凝縮器の上方に散液することを特徴とする請求項７記載の減圧蒸留方法。
   
   

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